吡咯并吡咯二酮和苯骈三氮唑类小分子光伏给体的设计合成与性质

摘要

为提高器件的光电转化效率，开发新型有机小分子太阳能电池材料并探究其结构与光伏性能之间的关系至关重要。本论文以吡咯并吡咯二酮(DPP)和苯骈三氮唑(BTz)为中心吸电子单元，通过采用不同的末端基团和桥键，设计合成了四个系列15种新型有机小分子光伏给体材料，并系统研究了其分子结构与光伏性能之间的关系，内容如下:
　　一、设计合成了四种基于DPP的小分子光伏材料，分别采用咔唑和芴基作为末端供电子基团，单键或三键作为连接桥键，意在探究三键和末端基团对材料光伏性能的影响。其中，以三键作为π-连接键不仅有效降低了材料的HOMO能级、增强了分子平面性，而且巧妙地均衡了低HOMO能级与窄带隙（Eg）之间的关系，进而提升了器件的光伏性能。此外，芴基作为末端基团由于其相对较弱的供电子性能降低了材料的HOMO能级，从而提高了器件的开路电压(VOC)。
　　二、设计合成了四种以DPP为中心吸电子单元，三苯胺(TPA)为末端基团的有机小分子，并分别采用单键、双键、三键和氰基乙烯基作为π-连接键，旨系统探究π-连接键对材料光伏性能的影响。其中，以双键作为π-连接键不仅增强了分子平面性，促进分子内电荷传输(ICT)作用，而且有效减小了分子的Eg，进而提升了器件的短路电流密度（JSC）;以三键作为π-连接键不仅降低分子的HOMO和LUMO能级，而且均衡了低HOMO能级和窄Eg之间的关系，进而提升了器件的VOC和JSC;以氰基乙烯基作为桥键也能降低分子的能级和Eg，但氰基削弱了分子平面性，从而使得器件的光伏显示有所降低。
　　三、设计合成了三种以单氟BTz为中心吸电子单元，TPA为末端基团的小分子，旨通过氟原子和π-连接键的协同效应获得高的VOC。研究发现，氟原子和双键之间的协同效应可以增强分子平面性，促进光吸收，降低Eg，进而改善器件的JSC;氟原子和三键之间的协同效应可以有效降低HOMO能级，从而显著提升器件VOC，实现高VOC的设计目的。
　　四、设计合成了三种基于DPP材料的具有低能级和窄带隙性质的A'-A-A'型小分子给体和一种D-A-D型参比分子，并通过理论和实验详细探究了其分子结构与性质之间的关系。结果表明A'-A-A'型结构不仅降低了分子的HOMO和LUMO能级，而且改善了分子的电荷传输能力，进而提升了器件的光伏显示。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 太阳能电池的分类

1．3 有机太阳能电池及其性能表征

1．3．1 有机太阳能电池的研究背景

1．3．2 有机太阳能电池的器件结构和工作原理

1．3．3 有机太阳能电池的性能表征

1．4 溶液过程BHJ型有机太阳能电池的活性层材料

1．4．1 溶液过程BHJ型受体材料

1．4．2 溶液过程BHJ型有机给体材料

1．4．3 溶液过程BHJ型有机小分子给体材料的设计策略

1．5 论文选题依据

2 以三键为桥键的吡咯并吡咯二酮类小分子给体的设计合成与性质

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与药品

2．2．2 溶剂预处理

2．2．3 测试仪器

2．2．4 循环伏安曲线测试

2．2．5 光伏器件的制作

2．2．6 电荷迁移率的测试与表征

2．2．7 以三键为桥键的吡咯并吡咯二酮类有机小分子材料的合成

2．3 结果与讨论

2．3．3 化合物(Cz)2DPP，(Fl)2DPP，(CzA)2DPP和(FlA)2DPP的光谱性能

2．3．4 化合物(Cz)zDPP，(Fl)2DPP，(CzA)2DPP和(FlA)2DPP的电化学性质

2．3．5 化合物(Cz)2DPP，(Fl)2DPP，(CzA)2DPP和(FlA)2DPP的电荷迁移率研究

2．3．6 化合物(Cz)2DPP，(Fl)2DPP，(CzA)2DPP和(FlA)2DPP的光伏性质研究

2．4 本章小结

3 基于吡咯并吡咯二酮-三苯胺类小分子给体材料的设计合成及桥键效应研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与药品

3．2．2 基于吡咯并吡咯二酮-三苯胺类有机小分子材料的合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 化合物(TPAP)2DPP，(TPAEP)2DPP，(TPAAP)2DPP和(TPACP)2DPP的合成、表征及热稳定性

3．3．2 化合物(TPAP)2DPP，(TPAEP)2DPP，(TPAAP)2DPP和(TPACP)2DPP的理论计算

3．3．3 化合物(TPAP)2DPP，(TPAEP)2DPP，(TPAAP)2DPP和(TPACP)2DPP的光谱性能

3．3．4 化合物(TPAP)2DPP，(TPAEP)2DPP，(TPAAP)2DPP和(TPACP)2DPP的电化学性质

3．3．5 化合物(TPAP)2DPP，(TPAEP)2DPP，(TPAAP)2DPP和(TPACP)2DPP的电荷迁移率研究

3．3．6 化合物(TPAP)2DPP，(TPAEP)2DPP，(TPAAP)2DPP和(TPACP)2DPP的光伏性质研究

3．4 本章小结

4 苯骈三氮唑类高VOC有机小分子给体的设计合成与性质

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与药品

4．2．2 苯骈三氮唑类有机小分子材料的合成

4．3 结果与讨论

4．3．1 化合物(TPAP)2BTz，(TPAEP)2BTz和(TPAAP)2BTz的合成、表征及热稳定性

4．3．2 化合物A7，(TPAP)2BTz，(TPAEP)2BTz和(TPAAP)2BTz的理论计算

4．3．3 化合物A7，(TPAP)2BTz，(TPAEP)2BTz和(TPAAP)2BTz的光谱性能

4．3．4 化合物A7，(TPAP)2BTz，(TPAEP)2BTz和(TPAAP)2BTz的电化学性质

4．3．5 化合物A7，(TPAP)2BTz，(TPAEP)2BTz和(TPAAP)2BTz的电荷迁移率研究

4．3．6 化合物A7，(TPAP)2BTz，(TPAEP)2BTz和(TPAAP)2BTz的光伏性质研究

4．4 本章小结

5 基于吡咯并吡咯二酮单元的A’-A-A’型小分子给体材料的合成与性质

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂与药品

5．2．2 A’-A-A’型有机小分子材料的合成

5．3 结果与讨论

5．3．2 化合物(DFPTR)2DPP，(AHPTR)2DPP，(CNTR)2DPP和(CzTR)2DPP的理论计算

5．3．3 化合物(DFPTR)2DPP，(AHPTR)2DPP，(CNTR)2DPP和(CzTR)2DPP的光谱性能

5．3．4 化合物(DFPTR)2DPP，(AHPTR)2DPP，(CNTR)2DPP和(CzTR)2DPP的电化学性质

5．3．5 化合物(DFPTR)2DPP，(AHPTR)2DPP，(CNTR)2DPP和(CzTR)2DPP的电荷迁移率研究

5．3．6 化合物(DFPTR)2DPP，(AHPTR)2DPP，(CNTR)2DPP和(CzTR)2DPP的光伏性质研究

5．4 本章小结

6 结论、创新点和展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表学术论文情况