苝二酰亚胺类受体材料分子构型对有机太阳能电池器件性能影响的研究

Non-fullerene organic acceptor has attracted much interest because of their various types, simple syntheses, strong absorption in the visible region and adjustable energy level. And among them, perylene diimide (PDI) derivatives are the most common acceptor units due to their high electron affinities, high electron mobilities, excellent chemical, thermal and photochemical stabilities. This project takes PDI as the basic building unit to design and synthetize small molecule acceptor materials possessing different molecular configurations. First, connecting two PDI units through a flexible alkyl chain to make molecular configuration definitely free and form more closely packing, which is beneficial to the electron transport. Second, design and synthetize PDI polymer with branched structure to make the spatial configuration more stereoscopic, which is beneficial to the electron transfer. By investigating the influence of molecular structure on the morphology of the blend film, charge-transporting, OSC device performance and bimolecular recombination, the method of inhibiting bimolecular recombination from molecular design is expected to be concluded, and furtherly, improve the design of molecular structures to fabricate high efficiency non-fullerene OSCs.

非富勒烯有机受体由于材料种类繁多、合成相对简单、在可见光区能够有强的吸收、且能级可调，近几年来逐渐成为研究热点。而苝二酰亚胺（PDI）类衍生物具有高的电子亲和势，高的电子迁移率，非常卓越的化学、热和光化学稳定性，是最为常用的受体单元。本项目以苝二酰亚胺为基本的构建单元，从以下两个方面设计合成不同分子构型的小分子受体材料：（1）开创性的通过柔性烷基链连接两个PDI单元，使得分子构型具有一定的自由度，能够形成更紧密的堆积结构，有利于电子的传输；（2）设计合成枝化结构的PDI多聚体，使其具有更加立体的空间构型，有利于电子的快速转移。通过研究分子构型对共混薄膜形貌、电荷传输、电池器件性能以及双分子复合的影响，总结归纳出从分子设计出发抑制双分子复合的方法，进一步改进分子的结构设计，制备高效率的非富勒烯有机太阳能电池。

非富勒烯有机受体由于材料种类繁多、合成相对简单、在可见光区能够有强的吸收、且能级可调等原因，近年来不断取得突破性的进展。目前小分子受体材料主要分为两大类，其中一类是以苝二酰亚胺（PDI）为基本构建单元；另外一类是以稠环单元为核的A-D-A型小分子。基于苝二酰亚胺的小分子受体材料的分子构型与器件性能之间的关系还不并明确。因此，我们设计合成了基于PDI 的二聚体、三聚体和四聚体，三个分子具有完全不同的空间构型。二聚体的两个PDI单元间的二面角最小，平面性最好，三聚体的扭角最大，分子构型最为扭曲。三聚体与给体共混制备的薄膜，薄膜形貌最为均一，同时具有最高的电子迁移率和空穴迁移率。以三聚体为受体制备的太阳能电池的器件性能最佳，效率为5.82%。表明基于PDI的小分子受体材料，分子构型越扭曲，越难聚集形成较大的结晶，和给体共混能够形成均一的相分离形貌，有利于电荷的分离与传输，进而提升器件性能。除此之外，我们还深入研究了A-D-A型小分子受体材料的堆积结构对电荷传输以及器件性能的影响，设计合成了基于非卤代、氟代和氯代的IC为端基，五元稠环IDT为核的三个小分子受体。相比于氢原子，氟原子的引入对分子的堆积结构并没有太大影响，而引入氯原子以后，由于Cl⸱⸱⸱S的强相互作用，使得相邻的分子形成了一个互锁的结构，进而导致分子的平面性最好，相邻分子的端基之间的π-π距离最小，且相邻分子的端基之间完全重叠，有利于得到较高的电子迁移率。与给体共混以后，由于IDIC-4Cl能够形成高度有序的堆积结构，因此其共混薄膜具有更好的相分离形貌，且同时具有最高的电子和空穴迁移率。以子IDIC-4Cl为受体制备的器件能量转换效率达到9.24%。而基于氢和氟取代小分子受体的器件性能分别为4.57%和7.10%。引入氯原子后无论是在初始薄膜以及共混薄膜中，都能够形成分子互锁的堆积结构，有利于电荷的快速转移，进而提升器件性能。因而氯原子取代是一种非常有效的制备A-D-A型非富勒烯小分子受体材料的方法。