基于六元环桥的小分子受体的合成及光伏性能研究

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自从非富勒烯稠环电子受体材料ITIC发现以来,有机太阳能电池的效率得到了快速提升,光活性小分子受体材料是影响有机太阳能电池能量转换效率的重要因素。在受体-给体-受体(A-D-A)结构的小分子稠环受体的设计和合成中,主要围绕给体核(D)、吸电子端基(A)以及侧链工程三个方向进行。本论文基于给体核的设计,合成了六元环桥稠合的芘核小分子和己氧基萘核小分子受体材料。通过核磁共振谱等表征了有机中间体和小分子受体的分子结构;利用热重分析、紫外-可见吸收光谱和循环伏安法研究了小分子受体的热稳定性能、光物理性能和电化学性能等;以合成的小分子为受体材料制备本体异质结有机太阳能电池,研究了小分子受体光伏性能等。研究结果表明:1、合成了六元环桥芘核小分子受体FPIC6,FPIC6具有良好的热稳定性,从溶液到薄膜,FPIC6表现出62 nm的红移,表明在固态时分子间相互作用很强。相较于异构体分子FPIC5,FPIC6具有更有效的共轭途径,因而薄膜吸收峰红移了119 nm,光学带隙也从1.63 e V降低至1.42 e V。FPIC6与常用的聚合物给体材料PTB7-Th表现出良好的光谱匹配。基于PTB7-Th:FPIC6有机太阳能电池的能量转换效率达到11.55%,开路电压为0.79 V,短路电流为21.50 m A cm-2。而基于PTB7-Th:FPIC5的有机太阳能电池能量转换效率仅为8.45%,短路电流为15.3 m A cm-2。2、合成了己氧基萘核六元环桥小分子受体PT-2H和PT-2F,两个分子都具有良好的热稳定性和良好的溶解性。PT-2H和PT-2F的光学带隙分别为1.66 e V和1.58 e V。从溶液到薄膜,PT-2F显示更加红移的吸收,表明其分子间作用更强,这归因于氟原子的加入增强了分子间相互作用。小分子受体PT-2H和PT-2F的HOMO能级分别为-5.56 e V和-5.57 e V,LUMO能级分别为-3.76 e V和-3.89 e V。PT-2H和PT-2F与PBDB-T制备有机太阳能电池的能量转换效率分别为5.11%和11.15%。与常见的五元环桥小分子受体相比,六元环桥小分子受体往往具有更加红移的吸收光谱,有潜力成为一类新型高效的小分子受体。
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