基于A-D-A结构非富勒小分子受体材料的设计、合成及光伏性能研究
在能源消耗巨大且传统化石燃料储备锐减的今天，太阳能这种清洁且可再生的新型能源备受关注。为了更好地利用太阳能，多种类型的太阳能电池相继面世。其中，有机太阳能电池(OSC)因其成本低、重量轻、柔韧性等优点而备受瞩目。近几年来，新的有机给受体分子的出现使得有机太阳能电池的光电转换效率快速提高，探索具有A-D-A结构的新型非富勒烯小分子受体材料已经成为有机太阳能电池领域的研究热点。本论文设计并合成了IN-4F、ISI-4F和ISI-4Cl及TT-S-4F四个具有A-D-A结构的新型非富勒烯小分子，并对其光伏性能进行了研究。 一、将4,8-双（三正丙基硅噻吩基）苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(SiBDT)与噻吩[2',3':4,5]并噻吩(TT)稠合，形成拓展的九元稠环骨架，以二氟二氰基茚满二酮（IC-2F）为端基，合成了具有A-D-A结构的IN-4F受体分子。与没有扩展π-共轭体系无硅烷基侧链的IT-4F受体分子相比，IN-4F具有较高的LUMO能级以及较小的光学带隙。以聚合物PM6为给体制备的二元器件可得到13.0%的光电转换效率。将IN-4F添加到PM6:IT-4F体系中制备三元电池，由于IN-4F和IT-4F之间的结构相似性使良好的薄膜形态和“堆积”都得以保持，同时Voc和Jsc也比二元电池显著提高，效率达到14.90%。同时，使用IN-4F作为PM6:Y6体系的掺入受体，由于其较高的LUMO能级而使Voc上升，电荷迁移率的增加导致Jsc增大，同时FF得以维持，因此实现了16.3%的优异PCE。 二、选择带有三正丙基硅乙炔基的苯并二噻吩(ASiBDT)作为给电子核心单元，并在此基础上拓展中心共轭单元到九个芳环，分别以强吸电子基二氟二氰基茚满二酮(IC-2F)和二氯二氰基茚满二酮(IC-2Cl)为端基，从而获得两个新的小分子受体材料，即ISI-4F和ISI-4Cl。由于共轭结构的拓宽，两个受体在NIR均显示出强而宽的吸收，同时由于三正丙基硅乙炔基共轭侧链的引入，进一步增强了分子的平面性，两个分子均实现了超过IN-4F的高摩尔吸光系数。选择与ISI-4F和ISI-4Cl能级匹配的聚合物PM6作给体制备活性层，在共混膜中观察到良好的相分离形态，并且具有高而平衡的电荷载流子迁移率。 基于PM6:ISI-4F和PM6:ISI-4Cl的二元太阳能电池可实现高达12.45％和12.05%的光电转换效率，22.78/20.47mA/cm2的出色Jsc，同时保持较高的Voc(0.88/0.87eV)。三、以带有正己烷硫基苯基侧链的引达省并二噻吩(IDT)为核心，3,6-二甲氧基噻吩[3,2-b]并噻吩为“π桥”，二氟二氰基茚满二酮(IC-2F)为端基，合成了具有的A-π-D-π-A型的小分子受体TT-S-4F。在末端吸电子单元IC-2F和“π桥”的共同作用下，进一步增强了分子内的电荷转移作用，使材料具有与IEICO-4F相近的光学带隙和更高的LUMO能级。在PTB7-Th：IEICO-4F体系掺入10％wt的TT-S-4F，实现了高达12.54%的PCE，相比于PTB7-Th:IEICO-4F二元器件，Voc、Jsc和FF均提高。
有机太阳能电池;非富勒烯受体;A-D-A结构;合成工艺;光伏性能
河北大学
硕士
物理化学
沈福刚;霍树营
2020
中文
TM914.4;TM242:TM205.1
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）