论文部分内容阅读
本论文系统综述了线性和星型有机小分子电子给体材料及其太阳能电池的研究现状。针对当前有机小分子电子给体材料分子结构与光伏性能关系尚不清晰,有机太阳能电池能量转换效率还没有达到实用化水平,为了获得具有宽光谱吸收、与电子受体材料能级相匹配的,高迁移率的有机小分子电子给体材料,进一步揭示电子给体材料的分子结构与光伏性能的关系,获得高效率的有机太阳能电池,本文开展了一类以三苯胺(TPA)或三(4-甲氧基苯)(TPA-OMe)为中心的富电子供体(D)单元、苯并噻二唑(BT)及其衍生物为手臂的缺电子受体(A)单元、咔唑(Cz)为末端稠环芳基(Ar)单元的星型有机小分子光伏材料的分子设计、合成与性能研究。通过核磁共振氢谱、碳谱和飞行质谱以及元素分析等方法表征了这些电子给体材料的分子结构;通过热失重分析、紫外吸收光谱、循环伏安法、密度泛函理论计算、光伏性能测试系统地研究了这些电子给体材料的分子结构对材料的热稳定性,光物理、电化学性能、电子云密度分布和光伏性能的影响,取得了如下研究结果:1.设计合成了一类以TPA为中心D单元、BT及氟化BT衍生物(F1BT与F2BT)为手臂A单元、Cz为末端的星型有机光伏电子给体材料,TPA(FxBT-T-3Cz)3(x=0,1,2)。研究发现,在BT单元上引入氟原子(F),有效降低了材料的最高占领分子轨道(HOMO)能级,提高了有机太阳能电池的开路电压(Voc)和电流密度(Jsc)。其中,基于5,6-二氟-苯并噻二唑(F2BT)单元的TPA(F2BT-T-3Cz)3在有机太阳能电池中展示了更高的Voc和Jsc值,以及可比拟的能量转化效率(PCE);其有机太阳能电池的Voc、Jsc和PCE值分别为1.01 V,10.84 mA cm-2和4.81%。2.设计合成了一类TPA-OMe为中心D单元,BT、F1BT与F2BT为手臂A单元,Cz为末端的星型有机小分子光伏电子给体材料,TPA-OMe(FxBT-T-3Cz)3(x=0,1,2),系统研究了甲氧基(-OMe)以及F原子对有机光伏电子给体材料性能的影响。研究发现:(1)与TPA(FxBT-T-3Cz)3(x=0,1,2)相比,TPA-OMe(FxBT-T-3Cz)3(x=0,1,2)表现了更好的溶解性和更高的空穴迁移率;(2)引入-OMe改善了材料TPA-OMe(FxBT-T-3Cz)3(x=0,1,2)的溶解性能,增加氟原子取代数目降低了TPA-OMe(FxBT-T-3Cz)3的HOMO能级,但是,与预期的结果相反,-OMe的引入,反而导致了材料对光吸收效率的降低和电池器件能量转化效率的降低;(3)在TPA-OMe(FxBT-T-3Cz)3(x=0,1,2)中,随着氟原子取代数目的增加,材料的光伏性能明显改善;其中,TPA-OMe(F2BT-T-3Cz)3在有机太阳能电池器件中呈现了最好的光伏性能,其太阳能电池器件的Voc、Jsc和PCE值分别为0.96 V,7.44 mA cm-2和4.50%。3.进一步揭示了基于TPA及其衍生物为中心D单元的有机电子给体材料的分子结构对材料的热稳定性,光物理、电化学性能、电子云密度分布和光伏性能的影响关系,研究对于促进我国有机小分子电子供体材料的发展及其应用具有重要的意义。