论文部分内容阅读
近年来,随着非富勒烯受体材料的不断开发,非富勒烯有机太阳能电池也得到迅猛的发展,其效率已经突破11%。这与富勒烯的有机太阳能电池效率相当甚至已经超过。在众多非富勒烯受体材料中,苝酰亚胺（PDI）是研究最早和最有潜力替代富勒烯受体材料的一类材料。因为它具有独特的分子结构,易进行化学修饰,有合适的能级,高的摩尔消光系数,并且与窄带隙的聚合物有很好的光谱匹配,以及高的电子迁移率等等。然而苝酰亚胺也有不足,分子容易聚集,因此,为了抑制苝酰亚胺分子间强的聚集能力,研究者通过设计合成扭曲的分子结构来打破这种聚集,以促进微纳米相区域的形成,从而提高光电转换效率。尽管这种扭曲的非平面结构看起来是一种不错的设计思路,但是也降低了PDI分子间的π-π堆积,这从某种程度上减弱了电荷的传输能力。因此,需要其既具有大的共轭体系和分子π-π堆积行为,又要维持非平面的结构（具有一定的扭曲角）。基于这种思路,我们设计并合成了一系列的苝酰亚胺衍生物,并对其光电性质及光伏性能进行了研究。1、设计并合成了不对称的稠环PDI衍生物Ph-PDI-C,并与EH-PDI和Ph-PDI进行对比,系统研究了它们的光谱性质、电化学性质、分子结晶性以及光伏性能。以BDT为核心的DCV-4T-TBDT为给体材料,分别对其光伏性能进行了研究。研究发现:在苝二酰亚胺的bay-位引入苯环后,得到扭曲的化合物Ph-PDI,该结构打破了苝二酰亚胺分子间的聚集,并改善了溶解性,从而获得1.46%的光电转换效率。在此基础上,又对化合物Ph-PDI进一步了氧化关环,得到稠环的Ph-PDI-C,增强了分子间的π-π堆积行为,提高了短路电流JSC,同时,也抬升了LUMO能级,提高了VOC,效率达到2.26%。本章阐述了通过横向拓宽苝二酰亚胺共轭体系,能够有效地提高光电转换效率。2、设计并合成了不同烷基链长的苝二酰亚胺bay-位环化化合物4-PP-PDI-C、4-HP-PDI-C、4-NP-PDI-C和4-iPP-PDI-C。研究了不同烷基链对苝二酰亚胺bay-位环化化合物的光谱性质、电化学性质、以及光伏性能的影响。发现不同烷基链对其光电性质影响不大,但是对薄膜的形貌有一定的影响。随着烷基链长度增加,器件性能依次降低,并且异丙基烷基链器件性能优于正丙基的器件性能。因此,烷基链的改变会影响薄膜形貌和分子的堆积,进而改变光伏性能。3、在前两章的基础上,设计并合成了以苯环为核心,苝二酰亚胺bay-位环化化合物为外围修饰单元的稠环大分子化合物,并且对光学性质、电学性质以及光伏性能方面进行了研究。稠环化合物C8C8-TP-PDI3-C在250-380 nm区域的吸收明显增强,提高了化合物对光的吸收能力,使得LUMO能级得到提升,同时,增强了分子间的π-π堆积行为,有利于电荷的传输,提高了光伏性能。当以PTB7-Th为给体材料时,光电转换率达到3.93%。换用PBDB-T时,器件性能进一步提高,达到4.89%。4、除上述稠环化合物外,我们还研究了树枝状大分子的苝二酰亚胺衍生物,设计并合成了以3T和6T为核心的空间三维结构的分子3T-PDI2和6T-PDI4,并且与EH-PDI对比,对光学性质、电学性质以及光伏性能方面进行了研究。这两个分子都能有效的减弱分子间的聚集,提高在有机溶剂中的溶解性。以PTB7-Th为给体材料,基于3T-PDI2和6T-PDI4器件的光电转换效率分别为3.41%和4.12%。这可能是由于树枝状的空间三维结构能够抑制分子间聚集行为,使得电荷能快速的产生和传输,从而提高光伏性能。