基于共轭大π平面稠环噻吩为核的线型和星型有机小分子光伏材料的合成及其光伏性能研究

In order to solve the low energy conversion efficiency of the solution-processed low band gap small molecules (SMs), used as the donor component in bulk-heterojunction (BHJ) organic solar cells (OSCs), the linear- and star-shaped organic small molecules used as photovoltaic donor materials with the D-A and D-A-Ar frame works will be designed and synthesized, in which the multi-fused thiophenes building block with large π-conjugation, good molecular planarity and strong π-π aggregation effect are employed as the π-bridge building centers and donor units (D), as well as varied electron deficient units are used as the branched acceptor units (A) and different polycyclic aromatic hydrocarbons (Ar) end-capped donor moieties, respectively. The influence of the D, A and Ar units in these SMs on thermal, UV-Vis absorption, electro-chemical and charge carrier mobility properties, as well as the effect of these molecules structures and device configuration on photovoltaic performance of these developed OSCs will be investigated systematically. The designed rule of the SMs use as donor materials with narrow energy-band, wide spectral response and high carrier mobility, as well as their high-efficiency photo-electron conversion mechanism will be revealed. It is very important to develope SMs-based photovoltaic materials and enhance the energy conversion efficiency or their OSCs.

针对有机溶液加工型本体异质结有机小分子太阳能电池（OSCs）能量转换效率不高等关键儿科学问题，采用具有较强给电子能力、较好共平面性能以及较强π-π堆积作用的大π多稠环噻吩为中心给体骨架桥核（D），不同窄带隙吸光单元为支链受体 (A)单元和不同稠环芳烃为共轭终端单元 (Ar)，构筑并合成作为OSCs核心组成的、具有宽光谱响应、高迁移率和较好自组装性能的D-A或D-A-Ar型线型及星型有机小分子光伏供体材料。研究材料分子内的D、A和Ar结构单元对材料的热稳定性、光谱吸收、电化学、电荷迁移率和成膜性的影响，研究材料分子结构与器件结构对OSCs光伏性能影响。揭示窄带隙、宽光谱带响应和高迁移率的有机小分子光伏供体材料的分子构筑规律以及高效光-电转换的机理。项目的实施对于发展高效有机小分子光伏材料，提升OSCs能量转换效率具有重要的意义。

能源和环境问题已成为全球急需解决的重点和难点问题。有机小分子太阳能电池材料不仅合成工艺相对简单、单分散性好、结构确定、批次性好和污染少等优点，受到了科研工作者的广泛关注。针对当前高效率的有机小分子给体材料种类少、分子结构与性能之间的关系尚不清楚等科学问题，本课题主要研究了4类有机小分子光伏材料，所有材料均通过核磁共振氢谱和碳谱(NMR)、时间飞行质谱(TOF-MS)和元素分析进行了表征，并优化了这类材料的合成方案。制作了光伏器件，筛选获得了性能优异的小分子给体材料。.1）基于咔唑稠环为核、苯并噻二唑（吡咯并吡咯二酮）电子受体和咔唑（烷基噻吩、硫烷基噻吩、芳烃）为末端给体单元，合成了6种的D(A-Ar)2型有机小分子光伏材料。基于PC71BM为受体的光伏器件的最高效率为3.47%。研究结果表明，这类分子大的平面性，在制作共混异质结器件时容易聚集、结晶，不利于接受电子和传输载流子，器件效率不高。.2）基于稠环吡喃桥引达省二噻吩(IDTP)为给体核，双氟苯并噻二唑(DFBT)为受体桥，以及咔唑(Cz)，烷基噻吩(T)和硫烷基噻吩(TS)为末端基团，合成了3种的D(A-Ar)2型有机小分子光伏材料。基于PC71BM为受体的光伏器件的最高效率为7.33%。研究结果表明，由于氧原子的引入，抑制了分子聚集和结晶，提升了器件效率。.3） 基于双氟双噻吩和1,4-二氟苯为中心给体核（D）、DPP为受体单元，合成了2个A-D-A型有机小分子光伏供体材料，基于PC71BM为受体的光伏器件的最高效率为7.87%。研究结果表明，末端大平面稠环基团的引入，有利于提升了电子和传输载流子，提升了器件效率。.4）基于双氟双噻吩（1,4-二烷氧基苯、1,4-二氟苯、四氟苯）为中心给体核（D）、吡咯并吡咯二酮（DPP）（易啶兰（IID、吡啶-吡咯并吡咯二酮（TDPP））为受体单元，以及烷基噻吩（硫烷基噻吩、硫烷基噻唑）为末端单元，合成了12个ArA-D-A-Ar型有机小分子光伏供体材料。基于PC71BM为受体的光伏器件的最高效率为9.0%。.本课题通过对分子的结构进行修饰，可以有效的调控分子的光电性能，提升了器件的光伏效率。系统研究了分子结构与性能间的关系；基于PC71BM为受体的光伏器件的最高效率达到了9.0%，是小分子中效率最高之一。本项目的研究对有机小分子光伏材料的发展具有重要指导意义。