【摘 要】
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有机太阳能电池（OSCs）因其具有柔性、重量轻、可溶液加工和可大面积印刷等优点而受到广泛关注。随着多种新型聚合物给体材料的开发,BHJOSCs的能量转换效率（PCE）在过去几年中快速提升。与常见的给体-受体（D-A）结构聚合物相比,聚3-己基噻吩（Poly（3-hexylthiophene）,P3HT）有着合成简单、成本低、可大规模制造等显著优势,表现出广阔的工业化生产应用前景。非富勒烯受体（NF
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有机太阳能电池（OSCs）因其具有柔性、重量轻、可溶液加工和可大面积印刷等优点而受到广泛关注。随着多种新型聚合物给体材料的开发,BHJOSCs的能量转换效率（PCE）在过去几年中快速提升。与常见的给体-受体（D-A）结构聚合物相比,聚3-己基噻吩（Poly（3-hexylthiophene）,P3HT）有着合成简单、成本低、可大规模制造等显著优势,表现出广阔的工业化生产应用前景。非富勒烯受体（NFAs）可以通过结构修饰调整吸收光谱和能级,与P3HT给体更好匹配,可以充分发挥P3HT的优势。因此,基于P3HT:NFA的OSC在过去几年间快速发展,但研究与P3HT良好匹配的非富勒烯受体并探索其构效关系仍然具有重要意义及挑战性。本论文从与P3HT共混的苯并三氮唑（BTA）类非富勒烯受体入手,研究了它们在P3HT器件中的结构-性能关系。主要包括以下研究内容:1.通过修改经典A2-A1-D-A1-A2型非富勒烯受体BTA3的三个不同位置的侧链,合成了五种新受体材料BTA3b-3f,并深入研究了不同侧链对光电性能、薄膜形貌、电荷载流子行为和光伏性能的影响。五种BTA3x受体在P3HT器件中分别获得了 5.95、3.80、4.74、5.48和6.15%的器件效率。对其构效关系的研究表明,中心D单元侧链的改变显著影响光吸收和薄膜形貌,BTAπ桥单元中不同长度的烷基链可以调节共混膜的结晶度和相分离,而末端A2的噻吩环等芳香族取代基可以微调分子间相互作用和堆积情况以实现更加顺畅高效的电荷传输。2.通过将经典BTA系列受体的IDT中心核替换为含缺电子杂环BTA的DA1D稠核,设计合成了两个具有新型A2-A1-DA1D-A1-A2结构的受体BTA91与BTA93。使用氰基绕丹宁端基的BTA93相比于使用绕丹宁端基的BTA91吸收红移、能级提升,其P3HT器件表现出了较为高效的电荷传输、较少的电荷复合和适度的相分离形貌。P3HT:BTA91与P3HT:BTA93器件分别得到了 2.03%与5.46%的器件效率。结果表明新型A2-A1-DA1D-A1-A2结构在用于P3HT器件的NFAs设计中具有很大的前景。3.首次在P3HT器件中使用以BTA作为A’单元的A-DA’D-A型NFA,包括经典的Y18与通过将Y18端基替换为氰基绕丹宁得到的新受体TPBTA-RCN。P3HT:Y18器件具有较宽的吸收光谱但能级不匹配,因此只有0.41V的开路电压和2.66%的器件效率。经过受体的端基修饰,P3HT:TPBTA-RCN获得了 0.99 V的高开路电压,在牺牲部分光吸收的情况下仍然获得了 5.23%的较高的器件效率,这得益于其增强的激子解离和电荷传输效率以及受抑制的电荷复合损失。结果表明修饰封端基团是调节材料聚集性和优化P3HT器件相分离的一种有效方法。
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