基于三蝶烯和苝二酰亚胺构筑新型三维有机太阳能电池受体材料

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苝二酰亚胺(PDI)是经典的n-型有机半导体材料,它已被证明是有机太阳能电池中有潜力的受体材料。本论文设计了一系列以三蝶烯为核的三维(3D)PDI类小分子受体材料,并通过理论计算和实验合成的方法对其光电性质进行研究,为拓展此类小分子受体材料提供依据。通过理论计算的方法研究了“杂原子取代三蝶烯桥碳原子”和“PDI单元与三蝶烯核的连接方式”两个因素对受体材料的影响。结果表明,杂原子取代对受体材料的能级影响不大,但会使三蝶烯核与PDI之间的扭转角增大,不利于分子内电荷转移。连接方式对受体性能的影响:三蝶烯核与PDI的bay-位相连的受体分子TP3,具有较宽的可见光吸收区域和与给体材料PTB7-Th匹配的电子能级;而三蝶烯与PDI单元的N-位相连的受体分子TPDI-3,则具有较强的可见光吸收能力和较大的电荷转移矩阵元。因此,二者均可成为潜在的高效PDI类小分子受体。通过Suzuki偶联反应,我们合成了三种具有良好的溶解性和热稳定性的PDI类小分子受体TPn(n=1,2,3)。随着PDI单元个数的增加,受体材料的吸光能力逐渐增强,而电子能级及吸光区域无明显变化。我们选用具有强吸光能力的受体材料TP3与给体材料PTB7-Th共混制备有机太阳能电池,其光电转换效率达到3.16%。粗糙的表面形貌影响了电池的填充因子,是电池性能不理想的主要原因。将PDI单元的N-活性位与三蝶烯相连,合成了TPDI-n(n=1,2,3)系列小分子受体材料。增加PDI单元个数也仅能提高受体材料的吸光能力。基于TPDI-3受体的电池器件正在准备中,但是基于PTB7-Th/TPDI-3的共混膜具有较光滑均一的表面形貌,因此其电池器件可能具有较高的填充因子和电子迁移速率。在上述理论计算和实验的基础上,我们设计了三种具有更大?平面的受体材料TPCH,TPS和TPSe。在PDI单元的bay-位引入S和Se原子,使TPS和TPSe中形成了具有给电子能力的噻吩、硒吩,同时扩大了它们的?平面。这对受体材料的LUMO能级影响不大,但会使HOMO能级降低,带隙变宽。TPSe的可见光吸收区域与TPCH和TPS相比发生较大的红移,且其给受体界面的电荷转移速率较快,因此我们相信TPSe是潜在的高效PDI类小分子受体。
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