螺结构型酰亚胺与酰胺类非富勒烯型小分子受体材料

摘要

非富勒烯型小分子受体材料由于可以通过简单的合成修饰结构来有效调控材料的HOMO/LUMO能级结构、拓宽光谱吸收、改善结晶性能以及与给体材料的相容性，在有机太阳能电池领域越来越受广大科学家们青睐。值得注意，去年非富勒烯烯型有机太阳能电池的效率也突破了10%，已经赶上了传统的富勒烯型电池的发展。
　　有些自聚集比较强的受体材料，在与给体材料共混时，形成较大的相分离结构，严重地限制了器件的短路电流。我们课题组前期的研究发现，螺结构的十字构型可以适度地抑制材料的自聚，并提高光伏效率。在本论文中，我们构建了几类螺型结构的酰胺和酰亚胺小分子体系，考察了它们的基本光电性能，并把它们应用太阳能器件。因此，本论文在以下几个方面展开：
　　1.以四苯基乙烯（TPE）和二芴烯（BFI）为母核，吡咯并吡咯二酮（DPP）为臂合成了两个新型的小分子受体材料，两个化合物的结构得到了核磁和质谱确认。材料的光电性能表明，二者的光谱吸收均在400-800nm之间，荧光光谱显示TPE-DPP分子表现出聚集导致荧光淬灭（ACQ）效应。电化学表明二者的HOMO能级分别为-5.20eV和-5.32eV，LUMO能级为-3.68eV和-3.53eV。热重分析（TGA）显示二者的95%失重温度为239℃和263℃，可以满足器件制备要求。以聚-3已基噻吩（P3HT）为给体材料，TPE-DPP为受体材料的器件性能初步测试为1.3%，还有继续优化的空间。
　　2.我们采用螺二噻吩（TS）作为母核，吡咯并吡咯二酮（DPP）和苝酰亚胺（PDI）为臂合成了化合物 TS-DPP4和 TS-PDI4，二者的结构得到了核磁确认。材料的紫外可见光谱显示二者在可见光吸收范围内，摩尔吸光系数分别为1.94×105M-1cm-1和1.85×105M-1cm-1。电化学测试显示 TS-DPP4的 HOMO/LUMO能级为-5.19eV/-3.50eV，TS-PDI4的HOMO/LUMO能级为-5.62eV/-3.84eV。TGA显示二者均有很好的热稳定性能。以PTB7-Th为给体，TS-PDI4给受体制作太阳能电池器件效率达到2.49%。
　　3.以螺芴（SF）为核，分别以三氟苯基封端DPP与和吡啶DPP偶联，合成了两个化合物SF-3FDPP和SF-PyDPP，二者的结构得到HNMR确认。二者的光电性能相差较大，吡啶 DPP分子的边缘吸收峰为640nm左右，最大吸收峰为550nm，相对SF-3FDPP分子而言均蓝移了大约70nm左右，且摩尔吸光系数仅为SF-3FDPP的0.6倍左右。电化学结构显示，三氟苯基的引入对分子的能级影响较小，可能是氟原子的吸电子性和苯基的供电子性达到了均衡，对HOMO/LUMO能级影响不大。为了进行对比，我们以噻吩和引达省并二噻吩为核，吡啶DPP为臂，合成了化合物T-PyDPP2和IDT-PyDPP2，通过HNMR确认了其结构。相对DPP类化合物而言，吡啶DPP的引入导致材料的最大吸收峰蓝移至550nm左右，且摩尔吸光系数明显降低。T-PyDPP2和 IDT-PyDPP2的HOMO/LUMO能级在-5.55eV/-3.50eV左右，HOMO能级相对较低，适合作为窄带隙给体材料的电子受体使用。几个小分子的热稳定性能均较好，95%热失重温度都大于200℃。SF-3FDPP器件的性能达到1.67%，器件仍在优化，其他几个小分子仍在测试中。

目录

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致谢

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 有机太阳能电池的工作原理及主要参数

1.3 有机小分子受体太阳能电池研究进展

1.4 前景与展望

1.5 本文立题思想及意义

第二章 芳基烯系列吡咯并吡咯二酮（DPP）小分子的合成与应用

2.1引言

2.2 化学试剂及纯化

2.3测试仪器

2.4关键中间体的合成与表征

2.5 TPE-DPP和BFI-DPP的合成与表征

2.6 TPE-DPP和BFI-DPP的光学性质

2.7 TPE-DPP和BFI-DPP的电化学性质

2.8 TPE-DPP和BFI-DPP的热学性质

2.9 光伏器件的制备与性能

2.10 本章小结

第三章 螺型噻吩核的系列小分子材料的合成与应用

3.1引言

3.2关键中间体的合成与表征

3.3 TS-DPP4和TS-PDI4的合成与表征

3.4 TS-DPP4和TS-PDI4的紫外可见光谱

3.5 TS-DPP4和TS-PDI4的电化学性质

3.6 TS-DPP4和TS-PDI4的热学性质

3.7 TS-PDI4光伏器件的制备与性能

3.8 本章小结

第四章 三维DPP类小分子受体材料的合成与应用

4.1引言

4.2 关键中间体的合成与表征

4.3 受体材料的的合成与表征

4.4 受体材料的紫外光谱

4.5 受体材料的电化学性质

4.6 T-PyDPP2和IDT-PyDPP2的热学性质

4.7 SF-3FDPP光伏器件的制备与性能

4.8 本章小结

第五章 全文总结与展望

参考文献

附录

作者简历