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非对称电子受体的末端工程及性能研究认领

作者：

王心宇

学位授予单位：

山东师范大学

摘要：

由于人类社会的快速发展,人们对于能源的需求也在逐年增长,目前的化石燃料早已不能满足人类的能源需求,且由其造成的全球气候变暖等温室效应问题都在迫使人们转向新型绿色能源。太阳能分布广泛而且清洁环保,太阳还能继续发生核聚变近50亿年,这对人类来说是永久能源,因此对太阳能的高效利用是人类孜孜不倦追求的目标。历经三代太阳能光伏技术的发展,有机太阳能电池（OSCs）因其清洁无毒、成本低、重量轻、柔韧性好、可溶液加工、适合大规模生产等特点,被认为是光伏技术中最有前景的候选者之一。目前有机光伏材料领域的关键问题是其效率低、稳定性差,这也是阻碍其无法商业化的原因。OSCs分为聚合物太阳能电池和小分子太阳能电池,过去的几十年中,OSCs的活性层材料通常是使用p型聚合物给体搭配n型富勒烯电子受体的本体异质结（BHJ）。但富勒烯受体也存在明显的缺点,例如,吸收范围窄、分子的可修饰性差、合成成本高等等。目前基于富勒烯衍生物受体的太阳电池器件效率为12%,这些缺点导致富勒烯衍生物受体的OSCs效率很难进一步提高。因此,非富勒烯的稠环电子受体（FREAs）应运而生,这种受体通常采用受体-供体-受体（A-D-A）结构。稠环梯形富电子核（D）是刚性共轭结构,有利于电荷传输和分子堆积,而D核上连接的大位阻基团,又能够抑制过度的分子聚集,使其能够形成一种良好的固态膜形态。末端基团（A）是缺电子的茚酮基团,能够起到拓展分子近红外吸收、捕获更多太阳光子和增强分子间的π–π堆积的作用。目前大量的研究都集中于对称性FREAs,而非对称的分子结构不仅可以增加分子偶极矩和介电常数,还能够减少激子结合能,非常有利于激子的解离和电荷的传输,因此,我们便将目光集中于非对称FREAs。对于末端基团的修饰是FREAs分子设计中的重要环节,现在普遍使用的末端基团是1,1-二氰基亚甲基-3-茚满酮（IC）,对其进行卤化是常用的方法。卤素的修饰能够促进分子的近红外吸收,调节LUMO/HOMO分子能级和带隙,改善共混膜的堆积形态。而将IC中的苯环替代为噻吩单元,可能形成更强的分子间π-π堆积,是一种提升光电性质的有效策略,在此基础上对末端基团进行进一步的修饰,也许能产生更显著的效果。近期有研究证明,将三氟甲基引入缺电子的末端基团,能够获得超低带隙的受体,且有利于形成3D互穿网络,提升共混膜的电荷传输能力。基于上述考虑,我们主要做了如下工作:（一）设计并合成了TPIC-2Cl-γ、TPIC-2Br-γ、TPIC-3Cl和TPIC-2Cl-Br四种受体分子,其中TPIC-3Cl和TPIC-2Cl-Br是首次合成的双组分非对称稠合受体（供电子核心和末端基团同时非对称）。与本课题组之前合成过的TPIC-4Cl进行比较,我们详细研究了卤原子修饰个数对它们的光物理、电化学、活性层形貌、电荷传输和光伏性能的影响。随着卤原子的逐渐增加（2、3到4）,这些不对称受体的吸收光谱表现出逐渐红移;由于电负性逐渐提高,LUMO和HOMO逐渐下移。当与聚合物供体PM6共混时,基于三卤原子取代受体（TPIC-3Cl和TPIC-2Cl-Br）的器件的PCE总是最高的,四卤原子取代的次之,两卤原子取代的最低。其中基于PM6:TPIC-2Cl-Br的电池器件取得了最高的光电转化效率（PCE=15.08%）,VOC=0.91 V,JSC=21.59 m A/cm2,FF=0.77。（二）设计并合成了基于氯代噻吩和三氟甲基取代噻吩稠合的末端基团CPTCN-Cl和CPTCN-CF3,并用它们合成出了目标产物TPC-Cl和TPC-CF3。较TPC-Cl来说,TPC-CF3的吸收有略微的红移,LUMO/HOMO能级均下移。两种受体的热稳定性均良好,可用于有机太阳能器件的制作。但由于时间原因,其它光物理性质测试还未测试,基于这两种受体的电池器件也正在制备中。

摘要译文

关键词：

非对称稠环电子受体; 末端基团; 有机太阳能电池; 三氟甲基化

学位年度：

2021

学位类型：

硕士

学科专业：

有机化学

导师：

李刚

中图分类号：

TB34[功能材料⑨];TM914.4[太阳能电池⑨]

学科分类号：

080501[材料学];080508[光电信息材料与器件];080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储]

D O I：

10.27280/d.cnki.gsdsu.2021.000962