基于螺二芴和双芴亚基的宽带隙3D非富勒烯小分子受体材料的合成及其性能研究

发布时间：2020-05-30 22:31

【摘要】：非富勒烯小分子受体材料由于具有明确的分子结构、高纯度和更好的批次间重现性等优点,已成为本体异质结有机光伏电池(BHJ-OPVs)研究领域的焦点。本论文介绍了平面型和非平面型两类非富勒烯小分子受体材料的优缺点和研究现状。为获得更高能量转换效率(PCE)的BHJ-OPVs,本文设计并合成了三种新型D-A_4型非富勒烯3D小分子受体材料。详细研究了这类材料的热稳定性能、光物理性能和电化学性能与光伏性能之间的关系。具体研究如下:1、构建了以螺二芴为核,4个侧翼为2,1,3-苯并噻二唑,3-乙基罗丹宁为端基的宽带隙3D小分子受体SF(BR)_4。对于窄带隙给体材料PffBT4T-2OD,SF(BR)_4具有与之能级匹配和吸收互补的特点。此外,SF(BR)_4的三维(3D)分子几何形状有助于抑制PffBT4T-2OD:SF(BR)_4共混膜中分子间的过度自聚集,有利于获得稳定的器件。基于PffBT4T-2OD:SF(BR)_4器件的PCE为6.15%。据我们所知,除了傒二酰亚胺衍生物3D小分子受体材料之外,6.15%是当时报道的基于非富勒烯3D小分子受体的光伏器件最高PCE值。2、以分子SF(BR)_4研究为基础,通过增加末端烷基链和强吸电子基团加以修饰,得到新的3D小分子受体材料SF(BRCN)_4。相比分子SF(BR)_4的吸收光谱,SF(BRCN)_4在溶液和固体膜中的吸收均发生红移,且在400至650 nm处显示出明显的增宽和红移,即当端基从3-乙基罗丹宁变为双氰基-3-己基罗丹宁基团时,分子内电荷传输(ICT)作用增强且分子之间的排布变得更加有序。基于PBDB-T-SF:SF(BRCN)_4器件的PCE高达7.18%,其中高V_(oc)为1.03 V,J_(sc)为11.62mA cm~(-2),FF为0.60。研究表明:适当增加端基的烷基链和强吸电子基团是改善光伏材料的一种有效方法。3、以分子SF(BR)_4为基础,通过设计并合成分子BF(BR)_4来探究新3D核对小分子受体性能的影响。通过分子SF(BR)_4和BF(BR)_4吸收光谱的对比分析可知,BF(BR)_4的吸收光谱略有扩宽,可归因于该分子具有共轭的3D分子结构。由于给-受体材料能级不匹配和活性层膜形貌差等原因,基于PBDB-T-SF:BF(BR)_4器件的PCE仅为0.88%。
【图文】：

有机光伏电池,工作原理

3图 1.2 有机光伏电池的工作原理有机光伏电池将光子能量转换成电能的过程主要有五个步骤(如上图 1.2 所示)：a)活性层中的给-受体材料吸收光子产生激子；b)激子迁移到给-受体材料界面；c)激子在给-受体材料界面离解成自由电荷(电子和空穴)；d)电子和空穴分别传输到各自的电极；e)载流子，即承载电荷且能够自由移动形成电流的物质粒子，在其各自的电极处收集，并形成电流。1.2.4 有机光伏电池的性能参数能量转换效率(PCE)由下式给出：

示意图,稠环,化学结构,能级

7图 1.3 不同大小的稠环核平面型小分子化学结构式稠环核平面型受体小分子由中心稠环核和端基共同作用构筑了一个整体的平面共轭分子，中心稠环核的给电子性与末端基团的吸电子性之间形成有效的ICT 作用，有利于获得较宽范围的紫外-可见吸收光谱，同时还可通过改变中心稠环核来调节能级和吸收光谱范围。在图 1.4 中给出了本段进行稠环核对比分子的化学结构和能级示意图。FNIC1 和 FNIC2[54]的核是互为异构体的九并稠环核，FNIC2 薄膜的边带吸收在 794 nm 处，，较分子 FNIC1(752 nm)具有 42 nm 红移。同时，分子FNIC2具有更高的电子迁移率为1.7×10-3cm2V-1s-1(FNIC1 为 1.2×10-3
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM914.4;TB34

【相似文献】