基于Alq3的新型非富勒烯有机电子受体的设计、合成与光伏性能研究

At present, all high-efficiency organic solar cells (OSCs) adopt fullerenes or their derivatives as the electron acceptors. However, fullerenes have a few disadvantages, such as weak absorption in the visible region, difficulty in the tuning of their energy levels, and high-cost production and purification.Therefore, in this proposal, we will design and synthesize new organic electron acceptors taking non-planar tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) as the parent compound. Based on the simulation by theoretical calculations, appropriate soluble and electron-withdrawing groups will be introduced in the specific positions of Alq3, to improve the solubility of Alq3 in organic solvents and achieve energy levels matching those of electron donors, in the same time, similar geometric shape as fullerenes. We will study the effects of the chemical structures and spatial configurations of Alq3 acceptors on their aggregate structures, phase seperations in the photo-active layer, and isotropic elctron transport,furthermore, discolse the molecular structure-aggregate structure-processing conditions-properties relationships, and master some effective methods. At last, blending Alq3 acceptor with the selected donor, we will try our best to improve the power conversion efficiency (PCE) of the Alq3-based OSCs to more than 5%. The results will provide valuable references for the exploration of fullerene alternatives.

目前，高效率的有机太阳电池都采用富勒烯及其衍生物作为电子受体，但富勒烯也存在明显的缺点，如对太阳光的吸收很弱、能级结构难以大幅度调控，特别是纯化过程繁琐费时，导致成本高昂。为此，本项目拟以非平面分子结构的三（8-羟基喹啉）铝（Alq3）为母体来设计合成新型有机电子受体，结合理论计算模拟，通过在分子的合适位置引入恰当的可溶性基团和吸电子基团，来改善其在有机溶剂中的溶解性以及实现与给体材料相匹配的能级结构，并获得类似于富勒烯的空间立体结构。本项目将重点研究Alq3类受体的化学结构和空间结构对其聚集态结构、在光活性层中相分离乃至各向同性电子传输性能的作用机制，初步探明电子受体性能与分子结构、聚集态结构以及加工工艺间的内在联系，掌握有效调控手段，并与优选的电子给体共混，力争获得能量转换效率大于5%的原型有机太阳电池，从而为人们设计替代富勒烯的高性能受体提供参考和借鉴。

1、结合理论计算模拟，在8-羟基喹啉的4位C原子上同时引入吸电子基团和可溶性烷基侧链，设计合成了一系列Alq3衍生物，大幅度提高了化合物的溶解性，获得了与给体材料良好匹配的能级结构和吸收光谱，并用溶液法制备了有机太阳能电池原型器件，最高能量转换效率（PCE）为0.09%。这是8-羟基喹啉金属配合物作为有机太阳能电池的电子受体的首次文献报道。进一步，初步探明了8-羟基喹啉金属配合物光伏性能差的主要原因在于：喹啉与金属离子的配位键在溶液中稳定性差，以及该类配合物分子间较弱的π-π共轭作用，无法与给体形成具有良好相分离的形貌。2、借鉴Alq3具有三维空间结构的优点，通过引入二面角和空间位阻作用，基于两种低成本商品化染料分子吡咯并吡咯二酮（DPP）和苝酰亚胺（PDI），设计合成了一类高性能的非平面型纯有机小分子电子受体。例如，基于三维小分子受体SF(DPPB)4的有机太阳能电池，PCE高达5.16%，是当时基于P3HT和非富勒烯受体的有机太阳能电池的效率最高值。3、利用分子内非共价键作用，构筑了一类性能更加优越的平面型纯有机电子受体，最终将有机太阳能电池的效率提高到12%以上。这不仅为人们设计性能更优的有机电子受体提供了参考和借鉴，也为今后的有机太阳能电池产业化提供了价廉物美的材料支撑。