【摘 要】
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非富勒烯受体材料（NFAs）由于具有分子结构可调、吸收范围宽、能级可调节等优势,已成为有机太阳能电池的研究热点。目前,以稠环芳烃单元为中心核的A-D-A型NFAs已经取得重大突破,基于它们制备的单结OSCs的能量转换效率（PCE）已经突破了19%。然而,此类NFAs存在合成步骤繁琐、成本高、结构与性能关系尚未清晰等问题,难以适合批量化生产以及商业化应用,设计合成结构简单且性能优异的NFAs是当前亟
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（51573154、52073035）； 江苏省高等学校自然科学研究重大项目（20KJA480004）； 江苏省高层次创新创业人才工程； 江苏省研究生创新计划（KYCX182617）； 江苏省环保高分子重点实验室研究计划（PML1901）；
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非富勒烯受体材料（NFAs）由于具有分子结构可调、吸收范围宽、能级可调节等优势,已成为有机太阳能电池的研究热点。目前,以稠环芳烃单元为中心核的A-D-A型NFAs已经取得重大突破,基于它们制备的单结OSCs的能量转换效率（PCE）已经突破了19%。然而,此类NFAs存在合成步骤繁琐、成本高、结构与性能关系尚未清晰等问题,难以适合批量化生产以及商业化应用,设计合成结构简单且性能优异的NFAs是当前亟待解决的核心难题。为此,本论文开展了氰基茚酮类简单小分子受体（SMA）材料的设计合成与性能研究,设计合成了三类不同中心骨架的氰基茚酮类简单小分子受体材料,研究了分子骨架和氰基茚酮末端对材料热稳定性能、光学性能、电化学性能和光伏性能的影响,揭示了高效简单非稠环小分子受体材料的分子设计规律,本论文的主要研究内容和研究结果如下:一是设计合成了以甲基联噻唑弱吸电子受体（Aw）单元为中心核、烷基噻吩为π桥、二氯氰基茚酮为端基强吸电子受体（A）单元的A-π-Aw-π-A型简单非稠环小分子受体材料BTz-4Cl-1,对比二氟氰基茚酮为端基的小分子受体材料BTz-4F-1,研究了材料的热稳定性能、光物理性能、电化学性能、结晶性能和光伏性能。研究发现:（1）BTz-4Cl-1分子具有优异的平面性、较强的π-π堆积和结晶性能,其π-π堆积距离为3.47（?）;（2）与BTz-4F-1相比,BTz-4Cl-1显示了更低的最高占领分子轨道（HOMO）和最低未占领分子轨道（LUMO）能级（-5.99和-4.03 e V）;（3）在以聚合物J71为给体的二元本体异质结OSCs中,由于BTz-4Cl-1更强的结晶性,导致了给/受体共混膜产生了严重的相分离,其OSCs的光伏性能显著降低。二是设计合成了以苯并二噻吩为中心给电子单元、二（十六烷基）噻吩并苯并吡喃（Ti C）为手臂给电子单元（D）、氰基茚酮或二氟氰基茚酮为端基强吸电子受体单元的A-D-D’-D-A型简单稠环小分子受体材料BDT-2Ti C16-2CN和BDT-2Ti C16-2DFCN。研究了这类材料的热稳定性能、光物理性能、电化学性能和光伏性能。研究发现:（1）理论计算这类分子苯并二噻吩上噻吩环与相邻噻吩并苯并吡喃上苯环的扭转角大于20°,分子的平面性和结晶性降低;（2）骨架D-D’-D给电子单元引入,使得这类材料呈现了升高的HOMO和LUMO能级,其中,基于二氟氰基茚酮的BDT-2Ti C16-2DFCN的HOMO/LUMO能级为-5.71和-3.95 e V;（3）在PM6:PC71BM二元富勒烯OSCs中,引入这类结晶性弱的A-D-D’-D-A型简单小分子受体材料为客体受体材料,其三元OSCs的光伏性能发生明显改善,其中,BDT-2Ti C16-2DFCN显示了更好的促进作用,器件的PCE由二元的8.53%提升至三元的9.46%,且开路电压(Voc)保持在0.96 V不变。三是设计合成了一类以噻吩并苯并吡喃和二噻吩环戊二烯或二噻吩并吡咯为手臂双给电子单元（D-D’）、二氟或二氯氰基茚酮为端基强受电子单元的A-D-D’-A型非稠环简单小分子受体材料CBDT-Ti C8-2DFCN、CBDT-Ti C8-2DCl CN、CBDT-Ti C12-2DFCN、CBDT-Ti C12-2DCl CN和DTP-Ti C12-2DFCN,研究了这类材料的热稳定性能、光物理性能、电化学性能、表面能和光伏性能,以及分子结构（给电子单元结构、吸电子单元结构和烷基链结构）对材料性能的影响。研究发现:（1）理论计算这类材料手臂双给电子单元的扭转角在21.31°～22.66°之间,分子的平面性和结晶性降低;（2）这类A-D-D’-A型材料与A-D-D’-D-A型材料呈现了相近的HOMO和LUMO能级,其HOMO能级在-5.57～-5.71 e V范围、LUMO能级在-3.90～-4.11 e V范围;（3）在以聚合物PM6为给体材料的二元OSCs中,与基于二噻吩并吡咯给电子单元的DTP-Ti C12-2DFCN小分子受体材料相比,其余四种基于二噻吩环戊二烯给电子单元的小分子受体材料均获得了显著提升的光伏性能,器件的PCE提高到9.11%～10.60%;（4）基于CPDT-Ti C12-2DCl CN小分子受体材料的OSCs呈现了最好的光伏性能,器件的PCE达到10.60%。本论文揭示了分子骨架结构对材料性能的影响规律,获得了高效氰基茚酮类简单非稠环小分子受体材料,为高效非稠环小分子受体材料的发展提供了重要参考。
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