含八羟基喹啉铂低能隙磷光共轭聚合物/含氟富勒烯衍生物太阳能电池光伏材料的合成及性能研究

聚合物太阳能电池，具有材料来源广泛、重量轻、制备工艺简单、可大面积成膜、柔性等优点而成为人们近年来关注的热点。本申请书设计合成一系列含氟富勒烯芳香腙吡咯烷衍生物和含八羟基喹啉铂的低能隙磷光共轭聚合物，研究其不同比例共混后组装太阳能电池的性能，并与PCBM进行比较研究。该项目预期获得具有低能隙、宽光谱、长寿命三线态激子、高载流子迁移率的给体材料及与给体能级匹配的具有高的开路电压的含氟富勒烯衍生物受体材料。通过器件结构优化，形貌优化，获得比现有文献报道更高的太阳能电池光电转换效率。在理论上围绕低能隙聚合物/富勒烯光伏体系中的光、激子和自由载流子行为建立一个清晰的物理图像, 探寻界面能级排列和电子结构相关的物理机制, 给材料设计和器件发展提供必要的理论指导。

八羟基喹啉金属配合物（Mqn）作为优良的电荷传输材料和发光材料，被广泛应用于发光二极管（OLED）的研究中。但是关于其在太阳能电池材料中的的基础研究及应用文献报道较少。我们研究发现Mqn分别与C60及其衍生物在溶液中共混后，Mqn的荧光均被猝灭，表明它们之间发生了电子转移，可以进一步进行太阳能电池的组装。.　然而Mqn的发光机理的研究相对比较薄弱，尤其是分子空间结构与材料性能之间的关系还需要大量的研究工作。基于以上问题，本项目设计合成系列含有不同功能基的新型8-羟基喹啉衍生物类配体，并探索其不同金属盐（Zn、Cd、Pt等）配合形成单体、二聚体、三聚体、四聚体的合成方法与提纯方法，实现可控制备；产物经 NMR、IR、MS、TG、X-射线单晶衍射等进行了结构表征，以及通过紫外滴定模拟了金属盐与配体的配位过程，分别测定了它们固体和溶液状态下的荧光性质：光谱显示不同性质的取代基或取代基相同, 取代位置不同都可以调控配体和配合物的发光波长，深入研究空间结构与材料性能的关系, 建立相应的理论模型，从而实现分子水平上Mqn的改性，为Mqn的改性研究开辟新的道路。另外，也设计合成了一系列新型含氟富勒烯衍生物 4a-4e, 产物经NMR、IR、MS等进行了结构表征。量化计算和光电性能测试显示：通过连接不同性质的供电基团和吸电子基团可以调控含氟富勒烯衍生物的HOMO 和 LUMO 轨道及其光电性能，通过含氟富勒烯衍生物和系列8-羟基喹啉类金属配合物的相互作用研究显示，该类化合物是潜在的有机太阳能电池给体材料，可以用于太阳能电池的组装。