稠环单元的侧链调控对非富勒烯受体光伏性能的影响研究

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非富勒烯小分子受体材料由于具有种类多样、化学结构易于修饰、易纯化等优点,因而受到有机光伏科研工作者的青睐,近年来,基于非富勒烯小分子受体材料的有机太阳能电池(OSCs)的光电转化效率(PCE)值已经突破18%,极大鼓舞了该领域科研工作者。通常,针对非富勒烯小分子的研究主要集中在主链骨架和侧链的修饰调控,但通过烷基侧链调控来实现非卤代有机溶剂加工的高性能小分子受体材料的研究却还只有少数报道。本论文简要介绍了多个系列的高效光敏活性层材料,着重介绍了非富勒烯小分子电子受体材料的研究进展,设计并合成了两个系列的非富勒烯小分子受体材料,并研究侧链结构对其性能的影响,主要研究内容如下:(1)以两端有正辛基侧链的环引达省并二噻吩(IDTT)衍生物为推电子结构单元(D),双边键接2-噻吩取代双氰基茚满二酮为拉电子结构单元(A),设计并合成了A-D-A型的非富勒烯小分子受体材料ITC-C8-Br,再在ITC-C8-Br两端键接噻吩,获得受体材料ITC-C8-T。研究结果表明,相比较未在IDTT上引入烷基链的受体材料ITC-2Br和ITC-T,引入烷基链的小分子ITC-C8-Br和ITC-C8-T的紫外-可见吸收光谱在薄膜状态下均红移了10 nm,表明在IDTT稠环末端噻吩环上引入正辛基后的小分子,分子间的π-π堆积更规整,导致呈现红移的吸收光谱。以PBDB-T为给体材料,以ITC-C8-Br和ITC-C8-T为受体材料,制备了OSCs器件,基于ITC-C8-Br和ITC-C8-T的器件的PCE分别为9.76%和4.33%,均高于基于ITC-2Br(8.53%)和ITC-T(3.16%)器件的PCE值。说明在IDTT的稠环两端引入烷基侧链有利于增大分子溶解性,增加分子间作用,促使吸收光谱红移,提高其光伏性能。(2)在受体材料ZB的基础上,通过将N原子上的烷基链延长为2-己基葵基,稠环两端的烷基链缩短为正辛基,以单溴苯环二氰基茚酮和单溴噻吩取代二氰基茚酮为端基,设计并合成了小分子受体ZB-C48和ZBT-C48。分析探讨小分子的侧链调控以及末端基团对其小分子受体的光物理性能以及器件的光伏性能的影响。研究结果表明,小分子ZB-C48能级和紫外-可见吸收光谱与小分子ZB基本一致,说明了侧链调控对小分子的能级,吸收光谱影响较小,而小分子ZBT-C48的能级相较ZB-C48有所上升,吸收光谱显著蓝移,且摩尔吸收系数较低。以PM6为给体材料,使用CF做溶剂制备器件时,经过条件优化,基于ZB-C48的器件的光伏性能最好,PCE为15.98%,JSC达到25.75 m A cm-2,FF为68.72%,VOC为0.9 V(ZB最高效率为14.89%,ZBT-C48最高效率为8.22%)。此外,当使用邻二甲苯制备器件时,基于PM6:ZB-C48的器件的光伏性能最好,仍可获得较高的PCE为15.75%,而溶解性较差的ZB的PCE仅为6.01%,以吸收光谱与能级互补较差的ZBT-C48制备的OSC器件的PCE仅为6.90%。说明通过调控稠环核的侧链可以获得高性能非卤溶剂加工的非富勒烯受体材料。
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