苝單-二酰亞胺衍生物合成及有機(jī)光伏性能研究.pdf

1、作為一種N型有機(jī)半導(dǎo)體材料，苝酰亞胺(PDIs)因其具有較高的摩爾消光系數(shù)、強(qiáng)的接受電子能力、高的熒光量子產(chǎn)率、高的電子遷移率、高的光電化學(xué)穩(wěn)定性、易于化學(xué)修飾等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。在有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)中，它是一種很重要的受體材料。本論文以有機(jī)光伏器件理論為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)并合成了一系列苝單/二酰亞胺衍生物，并對(duì)它們的光物理性能、熱穩(wěn)定性以及體異質(zhì)節(jié)(BHJ)太陽(yáng)能電池性能進(jìn)行了研究。
　　1.設(shè)計(jì)、合成了受體材料15-22，并

2、對(duì)它們的光物理性能以及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。它們均具有較強(qiáng)的吸收、很好的接受電子能力和熱穩(wěn)定性。空間電荷限制電流(SCLC)測(cè)試表明，化合物17∶P3HT薄膜顯示比較高的電子遷移率(9.85×10-5 cm2V-1s-1)。在BHJ器件中，以P3HT為供體材料，化合物15-22作為受體材料，經(jīng)過熱退火150℃，化合物17顯示最高的能量轉(zhuǎn)換效率(PCE)2.30％，并且它具有1.00 V的開路電壓(Voc)。光電流密度、原子力(AFM)

3、表面形貌和化學(xué)阻抗譜表明電荷分離效率、表面粗糙度和界面電阻對(duì)OSCs性能具有很大的影響。
　　2.利用希夫堿光誘導(dǎo)閉環(huán)反應(yīng)，經(jīng)過一步法或一鍋兩步法合成了模型化合物26。根據(jù)模型化合物的反應(yīng)過程，合成了雙氮雜剛性平面共軛化合物31(31')。并測(cè)試了化合物31(31')的紫外-可見吸收光譜、熒光發(fā)射光譜和電化學(xué)性質(zhì)。掃描電鏡(SEM)測(cè)試表明化合物31a(31a')能夠形成納米帶，有利于電子的傳輸和提高成膜性。通過制作4個(gè)不同厚度的

4、薄膜，利用SCLC法測(cè)試了它們的電子遷移率，487 nm厚的電子遷移率是最高的，其數(shù)值為5.65×10-4 cm2 V-1 s-1。
　　3.設(shè)計(jì)、合成了新型梯形共軛星形大分子受體材料40，該化合物由四個(gè)PDI支臂和一個(gè)芴核所組成。相比PDI(35 mg/mL)和39（70 mg/mL），化合物40具有很好的溶解性(155 mg/mL)。TGA分析表明，化合物40的熱分解溫度(Td)為291.2℃，它具有很好的熱穩(wěn)定性，要高于PD

5、I的Td，大約高65℃。經(jīng)15次循環(huán)伏安(CV)掃描，化合物40仍然保持不變的還原峰?；衔?0也顯示良好的光穩(wěn)定性，其熒光強(qiáng)度一直保持在99％。在SCLC器件中，化合物40顯示比較高的本征電子遷移率(2.22×10-5 cm2 V-1 s-1)，比PDI(3.52×10-8 cm2V-1 s-1)高3個(gè)數(shù)量級(jí)。以化合物40為受體、P3HT為供體，所構(gòu)筑的BHJ OSCs獲得0.64％的PCE，大約是PDI∶P3HT電池的64倍。

6、>　　4.利用液晶(LC)受體材料來(lái)提高BHJ OSCs的性能。以一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的PDI分子43為模型進(jìn)行了全面的研究。它顯示了比較寬的液晶相（從41℃到158℃的溫度范圍），并且通過差式掃描量熱法(DSC)，偏光顯微鏡(POM)和X射線衍射(XRD)對(duì)其 LC性能進(jìn)行了表征。利用P3HT∶43(1∶2)作為有機(jī)光伏活性層，經(jīng)過熱退火120℃，BHJ器件顯示0.94％的最好效率。通過對(duì)比，一種非LC分子41的器件，只獲得了比較低的效率0.