【摘 要】
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近年来,由于易修饰的分子结构、良好的热力学以及光学特性,稠环电子受体(FREAs)引起了研究者们的广泛关注。FREAs作为非富勒烯有机太阳能电池(NF-OSC)新兴的一个分支,取得了
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近年来,由于易修饰的分子结构、良好的热力学以及光学特性,稠环电子受体(FREAs)引起了研究者们的广泛关注。FREAs作为非富勒烯有机太阳能电池(NF-OSC)新兴的一个分支,取得了前所未有的突破,单节器件的能量转化效率(PCE)已经突破18%。本文综述了FREAs材料在本体异质结(BHJ)太阳能电池(OSCs)的最新研究进展,从FREAs材料的结构特性上较全面地了解其对性能的影响。通过综合BTBT和FREAs材料的结构特性,本文设计并合成了五个含BTBT的小分子受体材料。本论文的主要研究内容如下:(1)设计合成了由以两个环戊二烯基与噻吩(T)、BTBT和噻吩(T)基团缩合位点不同(2,3-7,8,2,3-6,7和1,2-6,7)而形成的三个异构的推电子稠环核、拉电子端基5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮(2FIC)以及对己基苯基的侧链构成的三个异构化的小分子受体Z1-aa,Z1-ab和Z1-fbb。详细地探讨了由三个不同位点合环对得到的小分子FREAs的光电性能、光伏性能以及形貌特征的影响。结果表明,对基于小分子FREAs的器件,不同合环位点形成的稠环核对其性能起着关键作用。三个同分异构体均拥有与聚合物给体PM6相匹配的能级,均获得较高的VOC(0.98～1.00 V)。相比于Z1-aa和Z1-afb,Z1-bb具有更宽的红移吸收光谱和更高的摩尔消光系数。当其与PM6共混后,相比于PM6:Z1-aa和PM6:Z1-ab共混膜,PM6:Z1-bb共混膜具有在面外的更单—的面面堆积,更好的共混形态以及更高和更平衡的的空穴和电子迁移率。因此,基于PM6:Z1-bb制作的OSCs器件获得了高的JSC(18.52 mA cm-2)、VOC(0.98V)以及高的FF(70.05%),最终呈现出12.66%的最高PCE值。(2)设计合成了由以两个环戊二烯基与噻吩(T)、BTBT和噻吩(T)基团按照1,2-6,7位点缩合形成的推电子稠环核、二个不同的拉电子端基(5,6-二氯-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮(2C1IC)以及5-氯-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮与6-氯-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮的共混物(1C1IC))以及对己基苯基的恻链构成的小分子受体BTIC-2C1和BTIC-1C1。研究了桥联不同端基对BTBT-类FREAs的光电性能、光伏性能以及形貌特征的影响。结果表明,二者在500-850 nm范围内均有吸收,其中BTIC-2C1的摩尔吸收系数最高但溶解性差。在薄膜状态下,BTIC-1C1的光吸收较宽,且BTIC-1C1的溶解性很好,有利于与PM6形成良好的相分离形态和相纯度,从而使得基于PM6:BTIC-1C1制作的OSCs器件获得了高的JSC(18.40 mA cm-2)和FF(69.55%),最终呈现出12.66%的最佳PCE。
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