基于9,9′-联芴烯有机小分子电子受体材料的合成及光伏性能研究

The non-fullerene n-type small-molecule acceptors have attracted tremendous attentions due to lots of attractive advantages, such as adjustable energy levels, facile synthesis, good solubility, low processing cost and wider spectral absorption for absorbing more sunlight to generate electricity.. 9,9′-bifluorenylidene derivatives as non-fullerene acceptors have attracted much scientific attention due to the aromaticity and twisted structure of the 9,9′-bifluorenylidene core. However, the bulk heterojunction organic photovoltaic cells based on the reported 9,9′-bifluorenylidene derivatives have lower power conversion efficiency (PCE) because of their lower electron mobility. In this project, the different electrophilic groups (rhodanine group, benzothiadiazole rhodanine, nitrile indenone, fluoronitrile indenone, etc) will be grafted on 9,9′-bifluorenylidene core to form the push-pull electronic structures, which could widen the absorption region of the materials by promoting efficient intramolecular charge transfer. In addition, the electron withdrawing groups grafted on 9,9′-bifluorenylidene core could restrain the intermolecular excessive aggregation and improve the electron mobility of the materials by multidimensional charge transfer channels. This strategy could lead to obtain higher power conversion efficiency. . We will synthesize a series of new non-fullerene electron acceptors containing 9,9′-bifluorenylidene skeleton. The efficiency-structure relationship of these materials will be studied in detail.

非富勒烯有机小分子电子受体材料因其能级可控、制作成本低、溶解性能好、光谱吸收范围宽等优点，受到越来越多的关注和研究。.9,9′-联芴烯（9,9′-BF）由于独特14π电子芳香结构和扭曲非平面构型成为近年来被研究的一类新型电子受体材料。但9,9′-BF衍生物的电子迁移率较低，使得该类材料光伏器件光电转化效率过低。本课题以9,9′-BF核作为结构单元，在充分考虑材料溶解性和成膜性基础上，通过共轭桥连将拉电子能力不同的端基（如绕丹宁、苯并噻二唑绕丹宁、腈基茚酮衍生物等）嫁接在9,9′-BF上，形成推-拉电子结构，促进分子内电荷转移，拓展材料的吸收光谱；利用9,9′-BF核扭曲非平面结构不仅可抑制分子间过渡聚集，而且能形成多维电荷传输通道，提高材料的电子迁移率。.拟合成系列9,9′-联芴烯类受体材料，通过结构和性能表征，深入探讨结构与光伏效应之间的关系，为电子受体新材料的开发利用提供一些理论指导。

近几年，有机/聚合物薄膜太阳能电池因其制作成本低、质量轻、制备工艺简单和可以制作成柔性器件等优点而备受关注。本体异质结型（BHJ）聚合物太阳能电池（PSCs），由于其可以增加D/A界面处激子的有效分离和电荷传输等优势而受到广泛研究。从活性层材料角度而言，在以往的研究中电子给体材料的研究较多、较为成熟，并且取得了一定的成果，而电子受体材料研究相对较少。实际上，电子受体材料同样在高性能的PSCs中起着很重要的作用。因此，本项目致力于合成在可见光区具有较宽和较强吸收的电子受体材料。.本项目研究内容主要包括富勒烯衍生物受体材料和非富勒烯受体材料的合成及光伏性能研究。（1）将具有给电子能力的芴酮与在可见光区具有强吸收能力的带-C8H17链的噻吩嫁接在富勒烯C60上，成功合成了四种富勒烯衍生物。FST-C60、bis-FST-C60、FTT-C60和FFT-C60的LUMO能级都较PC60BM有所提高。通过热重分析可知，FFT-C60的稳定性较PC60BM的热稳定性好。（2）本项目主要以9,9’-联芴烯（9,9’BF）为核心单元，以噻吩单元作为共轭π桥，嫁接不同的封端基团，分别为噻吩类、丙二睛类、1,3-茚滿二酮类、氰基茚酮类、氰基吡啶烷酮类，形成推-拉电子结构，合成了一系列对称以及不对称的非富勒烯受体材料。其中以氰基茚酮为封端基团的对称BF-TDCI4优化后的器件在开路电压为0.87V时，最大功率转换效率为4.35%。以氰基茚酮为封端基团的不对称BF-TDCI2优化后的器件的最大功率转换效率可达4.85%；此外，还合成了三种以稠环吲哚并咔唑为核心，嫁接氰基茚酮类、氰基吡啶烷酮类的封端基团的小分子受体材料。采用红外、核磁、元素分析和质谱对其结构进行了表征，并对以上非富勒烯受体材料的光物理性质、电化学性质、热稳定性、光伏性能等进行了研究。