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基于共轭侧链构筑二聚化受体实现低成本、高效、稳定的有机太阳能电池认领

作者：

陈祺

学位授予单位：

北京化工大学

摘要：

有机太阳能电池(OSC)因其轻质、柔性和大面积制备的潜力而备受关注。近五年来,随着窄带隙小分子受体以及聚合物给体的快速发展,OSC的能量转换效率(PCE)已突破20%。然而,如何设计一种能够在长期热应力和光照条件下保持高PCE的低成本材料体系,仍是其实现商业化的关键挑战。在OSC的活性层中,小分子受体与聚合物给体共混形成本体异质结,平衡激子解离与电荷传输以实现光能到电能的高效转换。然而,传统明星受体(如Y6类小分子受体)因其玻璃化转变温度低而易扩散,导致本体异质结中纳米尺度双连续互穿网络结构的破坏,降低器件效率。通过聚合或寡聚化策略可以提高受体的玻璃化转变温度,以增强活性层的动力学稳定性。然而,此类受体存在合成复杂、成本高昂的问题。此外,此类受体多依赖于D18、PM6等复杂结构、成本高的聚合物给体实现高效率。相比之下,结构简单的聚(噻吩-alt-喹喔啉)(PTQ10)具有低成本优势。然而,与基于多稠环结构类聚合物给体(如D18、PM6)不同,PTQ10采用非稠合分子结构,并通过喹喔啉单元的强极性特征,展现出独特的π-π堆积与链间偶极相互作用。深入理解其结构特征及对热力学性质的影响,有助于筛选和设计与PTQ10兼容的新型受体分子,为开发低成本光活性层材料提供重要的理论基础,从而降低光伏器件的整体制造成本。近期研究表明,通过引入烷基苯或烷基噻吩共轭侧链的小分子受体,可优化与PTQ10的形貌相容性,从而实现超过19%以上的PCE。尽管分子间作用机制的细节尚未完全阐明,但共轭侧链的引入有效降低了小分子受体的表面能,为给受体的相容性调控以及低成本受体设计提供了新思路。基于此,本论文聚焦于寡聚体与低成本聚合物给体PTQ10的兼容性问题,通过共轭侧链实现受体二聚化,并借助共轭侧链特性精准调控热力学性质与光电性能,从而优化与PTQ10的相容性并优化光伏性能。同时,本研究开发了一种简便高效的合成方法,有效规避了传统路径中对有毒试剂、卤代溶剂及苛刻条件的依赖,为低成本、高效能光伏材料的设计提供了坚实的理论基础和创新思路。 (1)设计并合成了以p-型噻吩基团为连接单元的二聚体DYTh与以n-型苯并噻二唑基团为连接单元的二聚体DYBT。其中,基于n-型单元的DYBT表现出更高的结晶度、更有序的分子堆积与更强的分子内超交换耦合,与PTQ10匹配取得了19.53%的优异PCE。此外,基于PTQ10:DYBT的器件表现出优良的稳定性,在最大功率点持续光照1100小时后仍保持初始效率的80%。更重要的是,受体的合成上采用了绿色环保的路线,克服了传统方法对有毒试剂、卤化溶剂的依赖。 (2)为进一步降低器件能量损失并提升器件效率,在DYBT结构基础上,利用氟化策略设计了三种氟化寡聚体受体DYBT-L-2F、DYBT-S-2F与DYBT-4F。其中,DYBT-L-2F的氟化位点位于连接单元;DYBT-S-2F的连接单元位于共轭侧链;而DYBT-4F则同时对连接单元与共轭侧链进行了氟化。通过这三个分子,系统研究了氟化的位置与数量对共轭侧链寡聚体受体光伏性能的影响。结果显示,三种受体分子均实现了能量损失的降低,而DYBT-L-2F与PTQ10取得了良好的相容性,并获得了19.28%的高效率,同时也保持了高稳定性与低成本的优势。 (3)通过向基于共轭侧链的二聚体中引入烷基柔性链,并采用异构化策略,设计并合成了三种同分异构体DYp、DYm与DYo,三者柔性链与苯环的连接位点分别为对位、间位和邻位。通过此类寡聚体受体分子,系统研究了异构化策略对柔性链连接二聚体分子堆积模式与器件性能的影响。研究发现,间位连接的DYm表现出增强的H-聚集与更有序的分子堆积,并取得了19.46%的高效率与高稳定性。然而,由于DYm的高表面能,其仅能与高成本的D18匹配,在器件材料成本上处于劣势。 (4)为了解决DYm因表面能过高而无法与PTQ10有效匹配的问题,本章采用氟化策略,通过在其分子内引入氟原子以降低表面能,设计合成了仅连接单元芳核氟化的DYm-F与连接单元、共轭侧链同时氟化的DYm-3F。研究发现,这两种氟化分子都表现出显著降低的表面能,改善了与PTQ10的相容性。DYm-3F与PTQ10表现出更佳的形貌,在取得19.00%能量转换效率的同时,保证了器件的低成本。

摘要译文

关键词：

有机太阳能电池; 寡聚体受体; 低成本

学位年度：

2025

学位类型：

博士

学科专业：

材料科学与工程

导师：

张志国

中图分类号：

TM914.4[太阳能电池⑨];TQ317[高分子化合物产品]

学科分类号：

080709[储能科学与工程];080809[新能源发电与电能存储];070305[高分子化学与物理];080501[材料学];081702[化学工艺];081707[材料化工]

D O I：

10.26939/d.cnki.gbhgu.2025.000105