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有机太阳能电池具有可溶液加工、大面积、质量轻、易实现柔性、半透明的特点,是一种应用前景广阔的光伏技术。在过去几年里,电子受体材料的开发,使有机太阳能电池在能量转换效率方面取得了重大突破。另一方面,稳定性以及环境友好加工、低成本等因素,仍然是限制有机太阳能电池商业化应用的瓶颈。新型电子受体的开发,是解决这些问题的有效途径。本论文围绕新型电子受体材料的开发作为核心主题,在传统的A-D-A’-D-A型小分子电子受体材料和酰亚胺类高分子电子受体材料之外,发展出三类新型有机/高分子电子受体材料,即基于三芳基硼单元的醇溶性小分子受体材料、稳定性优异的全稠环小分子受体材料和引入硒原子的硼氮配位键高分子受体材料。具体研究成果总结如下:1.基于三芳基硼单元的醇溶性小分子受体材料有机小分子受体材料一般采用卤代溶剂或芳香溶剂进行加工,不溶于环境友好的醇类溶剂。加工溶剂对环境和人体的毒害性,阻碍了有机太阳能电池的大面积生产。针对有机小分子受体材料的环境友好溶剂加工的问题,我们开发出基于三芳基硼的p-π*共轭小分子受体材料BDT,在没有极性侧链的情况下实现了良好的醇溶性,因此发展出醇类溶剂加工的有机太阳能电池器件。该分子BDT以三芳基硼为中心核,噻吩作为桥联单元,双氰基乙基罗丹宁作为末端基团。它的最低未占据轨道和最高占据轨道能级分别是-3.61 eV和-5.73 eV,电子迁移率为1.37 × 10-5cm2V-1 s-1,起始吸收波长为574 nm,其光电性质满足电子受体材料的要求。BDT中硼原子的引入使分子共轭骨架偶极矩增大,共轭主链的柔性增强,因此BDT虽然没有极性侧链,却易溶于正己醇等极性溶剂。我们将BDT作为电子受体材料,以正己醇为加工溶剂,成功制备了有机太阳能电池器件,其能量转换效率为1.03%。此外,我们以三芳基硼为中心核,噻吩作为桥联单元,双氰基茚酮作为末端基团,设计并合成了小分子受体B-H,并在桥联噻吩单元上引入丁基或丁氧基调控分子的光电性质,发展了小分子受体B-b和B-bo。实验结果表明,桥联噻吩上引入丁基,使分子骨架发生扭曲,提升分子的溶解性,并使给体/受体共混薄膜的形貌更均匀。桥联噻吩上引入丁氧基,促进了分子主链的平面性,有利于分子在固态下的有序堆积,并使分子的吸收光谱红移。基于此类电子受体材料的有机太阳能电池器件表现出良好的光伏性能,其能量转换效率达到4.07%。2.稳定性优异的全稠环小分子受体材料经典的小分子受体是将缺电子的端基通过双键连接到中心稠环单元的,该双键在光照条件下或碱性环境中容易发生断裂,导致有机太阳能电池的稳定性差。针对这个问题,我们将拉电子端基和中心的稠环单元用稠并方式连接起来,发展全稠环小分子受体,提升有机太阳能电池的稳定性。我们设计的全稠环小分子受体以苯并三氮唑缺电子单元为中心核,两个富电子的噻吩吡咯作为桥联单元,两个具有拉电子能力的丙二腈修饰端基。我们采用不同的烷基侧链,合成了小分子受体FM1、FM2和FM3。结果表明,全稠环的骨架结构使这些小分子受体表现出优越的光稳定性和化学稳定性。烷基侧链的改变对小分子受体的吸收光谱和能级影响较小,但会影响分子在薄膜中的堆积行为。其中,FM2的 HOMO/LUMO 能级为-5.77 eV/-3.89 eV,电子迁移率为 6.0 × 10-4 cm2 V-1 s-1,光学带隙为1.50 eV,最大吸收波长为769 nm。FM2具有合适的结晶性,与高分子给体D18共混可形成良好的相分离相貌,其电池器件的能量转换效率可达10.82%。更重要的是,在连续光照16 h后,其电池器件性能仍可维持初始值的91%,对比稠环小分子受体的电池器件,其性能已衰减至初始值的54%。该结果表明基于全稠环小分子受体的电池器件具有优越的光稳定性。在上述工作的基础上,我们在FM2分子的端基上引入2个氟原子取代基,设计并合成了小分子受体FM2-2F;引入4个氟原子取代基,设计并合成了小分子受体FM2-4F。系统研究了端基的氟代对全稠环小分子受体的光电性质和器件性能的影响。研究结果表明,氟原子的引入使分子的LUMO/HOMO能级下降,吸收光谱红移,摩尔吸收系数提升,分子间/分子内相互作用增强,从而使电荷传输性质得到改善,相应的电池器件的短路电流和填充因子提升,开路电压下降。3.引入硒原子调节硼氮配位键高分子受体的光电性质硼氮配位键高分子受体材料的光电性质优异,在有机太阳能电池器件中应用前景广阔。为了精细调控硼氮配位键高分子受体的光电性质和器件性能,我们将高分子主链重复单元中的硫原子替换为硒原子,设计并合成了主链中含有1、2和3个硒原子的新型硼氮配位键高分子受体材料P-Se、P-2Se和P-3Se。研究结果表明,随着硒原子数目的增多,高分子受体的LUMO能级逐步下降,而HOMO能级逐步上升,吸收光谱发生红移。其中,含有2个硒原子的P-2Se具有良好的结晶性和最高的电子迁移率,相应的全高分子太阳能电池器件的PCE为5.37%,开路电压Voc高于1.0 V。