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本体异质结有机太阳能电池通过光伏效应将太阳能转换成电能,已经被视为高效利用太阳能源的新兴技术而受到极大的关注。新型非富勒烯受体材料的不断开发以及器件工艺的不断优化,使有机太阳能电池的器件性能不断被提高,极大推动了有机太阳能电池领域的发展。本论文的研究工作采用合理的分子设计策略,设计合成了新的共轭骨架,将其引入到非富勒烯小分子受体材料设计中。合成了一系列的新型非富勒烯小分子受体材料,探索其作为电子受体材料在有机太阳能电池中的应用。考察了受体材料的光物理和电化学等基本性质。通过分子结构的调控,薄膜的形貌表征和分析,厘清了分子结构与器件性能的关系,发展了性能良好的非富勒烯受体材料。这些研究为设计合成高性能的非富勒烯受体器件提供新的思路。主要的研究工作如下: (1)将IDTT中的噻吩单元换成苯基,弱化IDTT的给电子能力,合成了给电子能力较弱的中心骨架IDBT。基于IDBT中心核的非富勒烯受体NIDBT被设计合成。NIDBT的光学带隙为1.84eV,HOMO和LUMO能级分别是-5.87和-3.91eV。选择聚合物PTB7-Th作为活性层的给体。器件制备和优化后,能够获得4.45%的能量转换效率,0.831V的开路电压,11.45mA cm-2的短路电流和46.73%的填充因子。 (2)将噻吩并[3,4-b]噻吩作为π-桥,引入到以IDBT为核的非富勒烯受体的共轭骨架中。设计合成了三个非富勒烯受体RIDBT、AIDBT和FIDBT。RIDBT的光学带隙为1.77eV,HOMO和LUMO能级分别是-5.63和-3.60eV。与PTB7-Th匹配,器件的能量转换效率相对NIDBT提高至6.71%,开路电压为0.973V,短路电流为12.40mA cm-2,填充因子为55.59%。在RIDBT的基础上,进一步考察侧链的对受体材料的性能影响。将芳基侧链变为交叉的烷基侧链,合成了受体AIDBT。基于PTB7-Th:AIDBT器件的能量转换效率达到6.21%,开路电压达到1.027V,短路电流为13.18mA cm-2,填充因子为45.92%。最后通过末端的修饰,合成了的受体FIDBT。FIDBT的光学带隙为1.53eV,以宽带隙的聚合物PBDB-T为给体,器件的能量转换效率达到7.14% (3)采用噻吩和噻吩并[3,2-b]噻吩作为非富勒烯的结构骨架,设计合成了两个新的供体单元,用于构建A-D-A型受体FTBT和FTTBT。FTBT和FTTBT的光学带隙分别为1.59和1.54eV。基于PM6:FTBT的太阳能电池在120℃退火处理后得到3.47%的能量转换效率。然后,基于FTTBT的太阳能电池不需要任何后处理,得到的能量转换效率达到9.79%。这些研究有利于厘清结构与性能的关系,为合理的分子设计提供一些有价值的参考。 (4)设计新的结构单元,2-三氟甲基噻吩并[3,4-b]噻吩,用于构建非富勒烯受体ATT-8。该分子的光学带隙是1.55eV,HOMO和LUMO能级分别是-5.46和-3.71eV。与PBDB-T制备器件,太阳能电池的能量转换效率达到7.31%。