苝单/二酰亚胺衍生物合成及有机光伏性能研究

摘要

作为一种N型有机半导体材料，苝酰亚胺(PDIs)因其具有较高的摩尔消光系数、强的接受电子能力、高的荧光量子产率、高的电子迁移率、高的光电化学稳定性、易于化学修饰等优点而受到广泛关注。在有机太阳能电池(OSCs)中，它是一种很重要的受体材料。本论文以有机光伏器件理论为指导，设计并合成了一系列苝单/二酰亚胺衍生物，并对它们的光物理性能、热稳定性以及体异质节(BHJ)太阳能电池性能进行了研究。
　　1.设计、合成了受体材料15-22，并对它们的光物理性能以及热稳定性进行了系统研究。它们均具有较强的吸收、很好的接受电子能力和热稳定性。空间电荷限制电流(SCLC)测试表明，化合物17∶P3HT薄膜显示比较高的电子迁移率(9.85×10-5 cm2V-1s-1)。在BHJ器件中，以P3HT为供体材料，化合物15-22作为受体材料，经过热退火150℃，化合物17显示最高的能量转换效率(PCE)2.30％，并且它具有1.00 V的开路电压(Voc)。光电流密度、原子力(AFM)表面形貌和化学阻抗谱表明电荷分离效率、表面粗糙度和界面电阻对OSCs性能具有很大的影响。
　　2.利用希夫碱光诱导闭环反应，经过一步法或一锅两步法合成了模型化合物26。根据模型化合物的反应过程，合成了双氮杂刚性平面共轭化合物31(31')。并测试了化合物31(31')的紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱和电化学性质。扫描电镜(SEM)测试表明化合物31a(31a')能够形成纳米带，有利于电子的传输和提高成膜性。通过制作4个不同厚度的薄膜，利用SCLC法测试了它们的电子迁移率，487 nm厚的电子迁移率是最高的，其数值为5.65×10-4 cm2 V-1 s-1。
　　3.设计、合成了新型梯形共轭星形大分子受体材料40，该化合物由四个PDI支臂和一个芴核所组成。相比PDI(35 mg/mL)和39（70 mg/mL），化合物40具有很好的溶解性(155 mg/mL)。TGA分析表明，化合物40的热分解温度(Td)为291.2℃，它具有很好的热稳定性，要高于PDI的Td，大约高65℃。经15次循环伏安(CV)扫描，化合物40仍然保持不变的还原峰。化合物40也显示良好的光稳定性，其荧光强度一直保持在99％。在SCLC器件中，化合物40显示比较高的本征电子迁移率(2.22×10-5 cm2 V-1 s-1)，比PDI(3.52×10-8 cm2V-1 s-1)高3个数量级。以化合物40为受体、P3HT为供体，所构筑的BHJ OSCs获得0.64％的PCE，大约是PDI∶P3HT电池的64倍。
　　4.利用液晶(LC)受体材料来提高BHJ OSCs的性能。以一个结构简单的PDI分子43为模型进行了全面的研究。它显示了比较宽的液晶相（从41℃到158℃的温度范围），并且通过差式扫描量热法(DSC)，偏光显微镜(POM)和X射线衍射(XRD)对其 LC性能进行了表征。利用P3HT∶43(1∶2)作为有机光伏活性层，经过热退火120℃，BHJ器件显示0.94％的最好效率。通过对比，一种非LC分子41的器件，只获得了比较低的效率0.22％。AFM图像表明P3HT∶43活性层组分具有平滑和规整的形貌。通过旋涂技术制作SCLC器件，在热退火120℃相同的状态下，分子43显示了2.85×10-4 cm2 V-1 s-1的本征电子迁移率，是非LC分子41(5.83×10-5 cm2 V-1s-1)的约为5倍。