基于梯形稠杂环的非富勒烯受体材料的设计与光伏性能研究

摘要

基于溶液法制备的本体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSCs)在过去几十年里引起工业界和学术界越来越多的兴趣，主要是由于它们在易加工、低成本、柔性和半透明方面具有显著优势。特别地，用于OSCs的非富勒烯受体在最近受到了广泛关注，因为它们具有以下优点:能级可调、在可见光甚至近红外光区(Vis-NIR)具有很强的吸收、易于纯化。在这篇论文中，合成了几个系列的受体-给体-受体(A-D-A)型非富勒烯受体(NFAs)，并研究了它们的光学和电化学性质、电荷传输性能及其光电特性。主要内容概括如下: 在第二章，采用不对称的噻吩环合成A单元时，可以得到两个异构体，通过实验和理论的相关研究，表明能量低的异构体是主产物。噻吩作为端基的ITIC型的非富勒烯受体ITCT具有明确的A单元结构，与PTB7-Th能很好地匹配。未优化的PTB7-Th/ITCT共混膜实现了可观的8.23％的光电转化效率(PCE)，相对较高的开路电压(Voc)为0.96V。当器件添加0.1％的1，8-二碘辛烷(DIO)并进行热处理后，活性层呈现更有序的结晶形貌，器件取得了高的光电转化效率(10.42％)，其中，Voc为0.95V，短路电流(Jsc)为15.13mA·cm-2，填充因子(FF)为0.72。 在第三章，设计合成了一种新的富电子的5，5，12，12-四-(4-己苯基)-引达省二-（二噻吩并[3，2-b∶2'，3'-d]吡咯）(INP)中心环。INP与2-(3-氧-2，3-二氢-1-亚甲基)丙二腈(IC)和氟化的IC通过Knoevenagel缩合反应构建了两个非富勒烯受体(INPIC和INPIC-4F)，对其进行了系统化的表征。由于INP具有较强的供电性，这两个分子表现出宽而强(600～900nm)的吸收。相比对应的INPIC，氟化的非富勒烯受体INPIC-4F表现出更强的近红外吸收，光学带隙为1.39eV，具有更好的结晶性以及更高的电子迁移率，同时，最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)能级都得以降低。基于INPIC-4F的电池最高效率为13.13％，能量损失(Eloss)仅为0.54eV，这一效率是目前二元器件的最高效率之一。 在第四章，通过在引达省并二噻吩(IDT)上引入烷氧基，合成了两个新的非富勒烯受体。经锡化、Stille偶联、Friedel-Crafts分子内成环等反应，构建关键D单元，并研究了烷氧基侧链光学和电化学性能的影响。因为非共价键作用的存在，IDTO-IC和IDTO-IC-4F具有较差的溶解性和很强的结晶性，初始的电池效率最高为2.28％，Jsc和FF都很低。

目录

声明

摘要

常用英文缩写注释表

1绪论

1．1引言

1．2有机太阳能电池结构

1．2．1本体异质结型电池

1．2．2三元共混电池

1．2．3叠层电池

1．3有机太阳能电池工作机制

1．4有机太阳能电池光伏特性参数

1．5有机太阳能电池活性层给体材料

1．5．1聚噻吩类聚合物给体材料

1．5．2苯并[1，2-b：4，5-b']二噻吩(BDT)类聚合物给体材料

1．5．3小分子给体材料

1．6有机太阳能电池活性层受体材料

1．6．1富勒烯受体

1．6．2非富勒烯受体

1．7本论文的研究思路和主要内容

2小分子受体材料ITCT的合成及其光伏性能研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验原料与试剂

2．2．2材料表征仪器与方法

2．2．3材料合成

2．3结果与讨论

2．3．1合成与结构表征

2．3．2热稳定性

2．3．3光学与电化学性质

2．3．4理论计算

2．3．5器件的光伏性能

2．3．6共混膜形貌

2．4本章小结

3基于二噻吩并[3，2-b：2'，3'-d]吡咯的九并稠杂环受体的合成及其光伏性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验原料与试剂

3．2．2材料表征仪器与方法

3．2．3材料合成

3．3结果与讨论

3．3．1合成与结构表征

3．3．2溶解性与热稳定性

3．3．3光学与电化学性质

3．3．4理论计算

3．3．5器件的光伏性能

3．3．6共混膜形貌

3．4本章小结

4基于烷氧基侧链小分子受体材料的合成及其光伏性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验原料与试剂

4．2．2材料表征仪器与方法

4．2．3材料合成

4．3结果与讨论

4．3．1合成与结构表征

4．3．2光学与电化学性质

4．3．3理论计算

4．3．4器件的光伏性能

4．4结果与讨论

5结论与展望

致谢

参考文献

附录