酰胺类共轭光电分子的设计、合成及其光伏太阳能电池器件研究

作     者：张鑫鑫 

作者单位：江西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘诗咏

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：酰亚胺 电子传输层 活性层受体 末端基团改性 非富勒烯 

摘      要：酰亚胺n型有机半导体具有优异的电学性能和化学稳定性,被广泛应用于新型太阳能电池、发光二极管和场效应晶体管等领域。在太阳能电池领域中,含有酰亚胺基团的分子一般有如下优点:较低的最低未占据分子轨道(LUMO)能级、较高的电子迁移率、优秀的稳定性、良好的修饰性。但当前基于酰亚胺n型有机半导体的光伏器件性能还有待提升,例如以酰亚胺n型有机半导体为电子传输材料的钙钛矿太阳能电池效率还明显低于同类型基于富勒烯衍生物的器件,以酰亚胺n型有机半导体为受体材料的有机太阳能电池效率低于稠环受体材料的器件。本文合成了两种新型的酰亚胺n型有机半导体,希望通过新结构的引入提升材料性质和器件性能。最终研究了他们作为电子传输材料和受体材料分别在钙钛矿太阳能电池和有机太阳能电池中的光伏性能。(1)电子传输材料(ETMs)在实现反向钙钛矿太阳能电池(p-i-n PSCs)的高转换效率(PCE)和长期稳定性方面发挥着重要作用,[6,6]-苯基-C-丁酸甲酯(PCBM)是其中的代表,但其成本较高,稳定性也有待提高。本文合成了新型可溶性的芘酮橙衍生物,并将其作为ETMs引入到p-i-n PSCs中。由于烷基链位置的不同,芘酮橙衍生物具有三个异构体,其中有两个反式异构体(命名为BBIN-1和BBIN-3)和一个顺式异构体(命名为BBIN-2)。研究表明,顺式异构体BBIN-2具有较小的带隙,较高LUMO能级和更高的电子迁移率。因此,以BBIN-2为ETM的p-i-n PSCs表现出最高的PCE,冠军值为19.36%,也显著高于PCBM的对照器件(18.78%)。此外,由于BBIN系列的强疏水性,使用BBIN作为ETMs的器件在空气和氮气环境下表现出良好的存储稳定性。这项工作不仅展示了芘酮橙染料作为ETMs在PSCs中的潜力,也揭示了分子结构在改性器件行为中的重要性。(2)合成了以酰亚胺为末端吸电子基团的新型稠环受体材料,研究了其二元和三元有机太阳能电池器件性能。稠环受体材料是当前有机太阳能电池领域最具潜力的受体材料,其末端氰基茚酮吸电子基团上通常需要引入卤素原子调控其电学性能和光学性能。酰亚胺基团具有较高的稳定性和共轭性,有望进一步改善Y6等稠环受体分子的性能,提高其在光电器件中的应用价值。本文合成了以酰亚胺并茚酮为末端吸电子基团的稠环受体材料BTP-PIO-C4,研究了其有机太阳能电池性能。研究表明基于PM6:Y6:BTP-PIO-C4三元BHJ器件,展现了优异的光伏性能(PCE=16.53%),其中开路电压和短路电流的提升显著,性能远超二元器件。进一步的研究表明,BTP-PIO-C4的引入不仅提高了BHJ器件的电子和空穴迁移率,还有效改善了共混膜的形貌,促进了电荷的分离和传输,抑制了载流子的复合。这项工作成功地验证了用酰亚胺基团对Y6末端基团进行改性的可能性,并获得了具有优异电学性能和较好稳定性的新型有机半导体材料Y6-PIO-C4。该方法简便、高效,可以为有机半导体受体材料的研究和应用提供新的思路和方法。