基于稠环小分子受体衍生单元构建新型聚合物受体

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全聚合物太阳能电池具有可溶液加工、可大面积制备与机械柔韧性好等突出优点,是有机太阳能电池领域的重要研究方向。它是基于聚合物给体和聚合物受体形成共混活性层的有机太阳能电池。其性能主要取决于共混活性层所用的聚合物半导体材料。近年来聚合物给体材料的研究取得较大进展,已有大量的高性能聚合物给体材料被陆续报道。但是,聚合物受体材料的发展相对滞后。高性能聚合物受体材料的缺乏成为全聚合物太阳能电池向前发展的一个关键制约因素。氰基茚酮类稠环小分子受体是目前推动有机太阳能电池性能实现突破的关键材料。将稠环小分子受体进行聚合物化,是发展高性能聚合物受体材料的一个新思路。本论文主要探讨如何基于氰基茚酮类稠环小分子受体衍生单元构建新型聚合物受体材料。具体研究内容为:基于氰基茚酮类稠环小分子受体Y6衍生单元M1设计合成了参比小分子受体SY6与非共轭聚合物受体NC-PY6。NC-PY6来自于M1与含噻吩的非共轭单体M2通过Stille交叉偶联缩聚反应,与SY6具有相同的共轭结构单元。NC-PY6具有良好的溶解性、热稳定性与高的数均分子量(35.6 k Da)。NC-PY6与SY6具有相似的吸收光谱,并与已知给体D18表现出吸收互补。基于D18:SY6共混膜与D18:NC-PY6共混膜的聚合物太阳能电池器件的光电转化效率分别可达到13.1%与12.3%。结果表明,将氰基茚酮类稠环小分子受体Y6衍生单元进行聚合物化,可以获得高性能的新型聚合物受体材料。基于D-A型氰基茚酮类稠环小分子受体IDIC衍生单元,设计合成了两种新型共轭聚合物受体PIDTCN-1和PIDTCN-2,并将两者进行了对比研究。对两聚合物作为受体材料的全聚合物太阳能电池的器件性能进行了初步评价。因器件的短路电流密度与填充因子均比较低,相应的光电转化效率均较低(小于2%)。基于D-A型与A-D-A’-D-A型氰基茚酮类稠环小分子受体IDIC衍生单元,设计合成了两种新型非共轭聚合物受体NC-PIDTCN和NC-PIBICN,并对其进行了对比研究。NC-PIBICN相比NC-PIDTCN具有更高的数均分子量(20.98 k Da vs.5.67 k Da)、更窄的光学能带隙(1.56 e V vs.1.64 e V)与更高的LUMO能级(-3.84 e V vs.-3.94 e V)。给体PPDT2FBT与NC-PIBICN或NC-PIDTCN之间能够进行有效的分子间电荷转移。结果表明两聚合物是潜在的聚合物受体材料。
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