苯并噻二唑基受体和喹喔啉基聚合物给体的合成及光伏性能研究

作     者：孙超远 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邹应萍

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：有机太阳能电池 电子给体 电子受体 苯并噻二唑 烷氧链 喹喔啉 

摘      要：近年来,明星受体Y6的出现使得一些缺电子单元如苯并噻二唑、苯并三氮唑、苯并硒二唑、喹喔啉等逐渐成为研究的热点。科学家通过设计新型材料、优化器件界面以及改善活性层形貌在有机太阳能电池领域取得突破性进展,直接推动光电转化效率超过19%。本论文聚焦光伏器件“开路电压的提升,分别以苯并噻二唑和喹喔啉为构筑单元,设计合成一系列电子给受体材料,具体工作如下:(1)以二噻吩并[3,2-b]吡咯苯并噻二唑为中心核,噻吩茚酮或噻吩[3,2-b]并噻吩茚酮为端基,设计合成了三种A-DA′D-A型受体BTP-CC、BTP-TTC和BTP-TC。结果表明,基于BTP-CC的器件实现了0.98 V的开路电压,这是迄今为止被报道的最高值之一。然而,给体PBDB-T和受体BTP-TTC的ΔE仅为0.05 e V,活性层的激子解离和电荷传输被抑制,导致器件的开路电压虽提高(0.95 V),但短路电流密度和光电转换效率却降低。与BTP-CC和BTP-TTC相比,BTP-TC的吸收范围变宽,最低未占据分子轨道能级下降。此外,PBDB-T:BTP-TC共混膜具有较高的结晶性,较强的分子间相互作用,促进了激子解离和电荷传输效率,抑制了电荷复合,从而使得器件获得了较高的短路电流密度和光电转换效率(13.57%)。(2)研究表明,烷氧链不仅可以调节分子的光电性质,还可以改善共混膜的形貌。为探究烷氧链的引入对光伏材料及器件性能的影响,设计合成了两种非对称小分子受体ABT4F和ABT4F-1O。不含烷氧链的ABT4F共混膜中容易自聚集,形成过大的相分离尺寸,使得激子解离效率低,光伏性能差(2.46%)。与ABT4F相比,烷氧链取代的受体ABT4F-1O吸收蓝移,最高占据分子轨道能级上移,且在氯仿溶液中具有良好的溶解性。基于PM6:ABT4F-1O的共混膜具有合适的相分离尺寸和高的相区纯度,促进了激子解离,抑制了电荷复合,提升了开路电压,短路电流密度和填充因子,最终实现了14.62%的器件效率。(3)氟原子因空间位阻小,电负性高成为常用的吸电子基团。引入氟原子不仅能够有效降低给体材料能级,而且形成的氢键弱相互作用会增强分子骨架的平面性,提高分子堆积的有序性。通过改变非对称喹喔啉单体氟原子的数目,设计合成了两种聚合物给体ABQx-2F和ABQx-6F,并分析总结分子结构与器件性能的关系。相较于ABQx-2F,ABQx-6F吸收红移,能级下降,从而与窄带隙受体Y6更加匹配。ABQx-2F:Y6器件效率仅为10.56%,但ABQx-6F:Y6器件的开路电压,短路电流密度和填充因子均显著提升,效率可以达到15.69%。