【摘要】：非富勒烯小分子受體材料由于具有明確的分子結(jié)構(gòu)、高純度和更好的批次間重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn),已成為本體異質(zhì)結(jié)有機(jī)光伏電池(BHJ-OPVs)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。本論文介紹了平面型和非平面型兩類非富勒烯小分子受體材料的優(yōu)缺點(diǎn)和研究現(xiàn)狀。為獲得更高能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)的BHJ-OPVs,本文設(shè)計(jì)并合成了三種新型D-A_4型非富勒烯3D小分子受體材料。詳細(xì)研究了這類材料的熱穩(wěn)定性能、光物理性能和電化學(xué)性能與光伏性能之間的關(guān)系。具體研究如下:1、構(gòu)建了以螺二芴為核,4個(gè)側(cè)翼為2,1,3-苯并噻二唑,3-乙基羅丹寧為端基的寬帶隙3D小分子受體SF(BR)_4。對(duì)于窄帶隙給體材料PffBT4T-2OD,SF(BR)_4具有與之能級(jí)匹配和吸收互補(bǔ)的特點(diǎn)。此外,SF(BR)_4的三維(3D)分子幾何形狀有助于抑制PffBT4T-2OD:SF(BR)_4共混膜中分子間的過度自聚集,有利于獲得穩(wěn)定的器件�；赑ffBT4T-2OD:SF(BR)_4器件的PCE為6.15%。據(jù)我們所知,除了傒二酰亞胺衍生物3D小分子受體材料之外,6.15%是當(dāng)時(shí)報(bào)道的基于非富勒烯3D小分子受體的光伏器件最高PCE值。2、以分子SF(BR)_4研究為基礎(chǔ),通過增加末端烷基鏈和強(qiáng)吸電子基團(tuán)加以修飾,得到新的3D小分子受體材料SF(BRCN)_4。相比分子SF(BR)_4的吸收光譜,SF(BRCN)_4在溶液和固體膜中的吸收均發(fā)生紅移,且在400至650 nm處顯示出明顯的增寬和紅移,即當(dāng)端基從3-乙基羅丹寧變?yōu)殡p氰基-3-己基羅丹寧基團(tuán)時(shí),分子內(nèi)電荷傳輸(ICT)作用增強(qiáng)且分子之間的排布變得更加有序�；赑BDB-T-SF:SF(BRCN)_4器件的PCE高達(dá)7.18%,其中高V_(oc)為1.03 V,J_(sc)為11.62mA cm~(-2),FF為0.60。研究表明:適當(dāng)增加端基的烷基鏈和強(qiáng)吸電子基團(tuán)是改善光伏材料的一種有效方法。3、以分子SF(BR)_4為基礎(chǔ),通過設(shè)計(jì)并合成分子BF(BR)_4來探究新3D核對(duì)小分子受體性能的影響。通過分子SF(BR)_4和BF(BR)_4吸收光譜的對(duì)比分析可知,BF(BR)_4的吸收光譜略有擴(kuò)寬,可歸因于該分子具有共軛的3D分子結(jié)構(gòu)。由于給-受體材料能級(jí)不匹配和活性層膜形貌差等原因,基于PBDB-T-SF:BF(BR)_4器件的PCE僅為0.88%。
【圖文】：

3圖 1.2 有機(jī)光伏電池的工作原理有機(jī)光伏電池將光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程主要有五個(gè)步驟(如上圖 1.2 所示)：a)活性層中的給-受體材料吸收光子產(chǎn)生激子；b)激子遷移到給-受體材料界面；c)激子在給-受體材料界面離解成自由電荷(電子和空穴)；d)電子和空穴分別傳輸?shù)礁髯缘碾姌O；e)載流子，即承載電荷且能夠自由移動(dòng)形成電流的物質(zhì)粒子，在其各自的電極處收集，并形成電流。1.2.4 有機(jī)光伏電池的性能參數(shù)能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)由下式給出：

7圖 1.3 不同大小的稠環(huán)核平面型小分子化學(xué)結(jié)構(gòu)式稠環(huán)核平面型受體小分子由中心稠環(huán)核和端基共同作用構(gòu)筑了一個(gè)整體的平面共軛分子，中心稠環(huán)核的給電子性與末端基團(tuán)的吸電子性之間形成有效的ICT 作用，有利于獲得較寬范圍的紫外-可見吸收光譜，同時(shí)還可通過改變中心稠環(huán)核來調(diào)節(jié)能級(jí)和吸收光譜范圍。在圖 1.4 中給出了本段進(jìn)行稠環(huán)核對(duì)比分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和能級(jí)示意圖。FNIC1 和 FNIC2[54]的核是互為異構(gòu)體的九并稠環(huán)核，F(xiàn)NIC2 薄膜的邊帶吸收在 794 nm 處，，較分子 FNIC1(752 nm)具有 42 nm 紅移。同時(shí)，分子FNIC2具有更高的電子遷移率為1.7×10-3cm2V-1s-1(FNIC1 為 1.2×10-3
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM914.4;TB34

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本文編號(hào)：2688825