基于四嗪为受体单元的光电活性有机小分子的合成和光伏性能研究

The solar cell has been considered a green and effective technology to solve the issues of energy and environment, which has the ability to convert solar energy to electrical energy. The organic bulk heterojunction solar cells have been attractive scientist’s attention throughout the world for their advantages over conventional solar cells. For example, simple fabrication process in large area, cheap, and flexible properties. The organic solar cells use organic materials mostly in the form of small molecules, dendrimers and polymers. In which, small molecules organic solar cells also have been prove to be promising, the relatively simple synthesis, high charge carrier mobility, high purity and better reproducibility over other organic materials. In this object, a series of novel narrow band gap small electron donor will be synthesized based on 1,2,4,5-tertrazine unit, which acts as acceptor in the molecule. Through employment of different donor unit, controlling the conjugation and symmetry of molecule structure, the photophysical properties could be tuned easily. And the factor influent the photovoltaic properties of the small molecules also will be considered. The sandwich structure solar cell will be fabricated to explore the photovoltaic performance after the success synthesis with high selectivity and yield. The factors, such as absorption, LUMO and HOMO energy levels, carrier mobility, solubility for solution processing, morphology and nanoscaled phase separation in devices, influenting the efficiency of the solar cells will be deeply studied of this type of acceptor in the molecules.

太阳能电池是解决人类面临的环境和能源危机的最有效的形式之一。有机体异质结太阳能电池相对于硅基无机太阳能电池具有制备工艺简单、廉价、易于实现大面积制备及柔性等优点，近年来成为广泛的研究热点。有机小分子体异质结太阳能电池是以有机小分子作为电子给体材料的有机体异质结太阳能电池，因该类电子给体材料具有合成简单、纯度高、高的载流子迁移率以及重现性好的特点而备受关注。本项目拟研究利用四嗪分子作为受体单元，合成一系列稳定的新型D-A结构的窄带隙小分子电子给体材料；通过不同的给体单元调整、共轭程度以及分子的对称性，调控该系列分子的光电活性并对影响该类型分子光伏性能的因素进行研究；在探索高选择性、高产率的合成的基础上，利用溶液加工的方法构建太阳能电池，对该系列分子的光伏特性进行研究，期望可以实现小分子有机太阳能电池效率新的突破。

1,2,4,5-四嗪分子是一种中等吸电能力的基团，通常与强给电子能力的官能团结合来制备具有合适能级和带隙的具有良好光电性质的有机分子。在已有的研究中，四嗪分子单元往往是对称的结构，利用常见的偶合反应与给电子基团连接，没有用到其偶联的作用。如果可以在同一分子结构中同时起到调控电子能级和偶联的作用将有助于减少实验步骤，降低成本。本项目首先基于1,2,4,5-四嗪分子单元的吸电子能力和偶联功能合成具有光电功能的有机小分子。该部分合成工作主要集中在两个部分，第一个部分是合成5-位功能化的具有良好共轭的双联噻吩噻咯化合物，一共合成了5-位分别为醛基、羧基和氰基的三类化合物；在该工作中发现采用利用5-位为三甲基硅或者缩醛保护的联二噻吩前体由于在四氢呋喃中溶解度的增加可以大大提高噻咯化合物的收率，并且通过缩醛保护的前体可以有效减少反应步骤和难度。第二部分是合成一端烷基取代的不同噻吩个数的分子片段，主要合成了正己烷取代的醛基、羧基和氰基的分子，然后与第一部分的分子合成1,2,4,5-四嗪分子连接的目标分子；在该工作中发现，随着噻吩个数的增加合成目标分子的难度变大，目前仅仅得到少量的单噻吩取代的目标分子。由于合成的困难，我们选择了咔唑分子替代联噻吩做了一些合成尝试，在合成的过程中，我们发现了一类具有摩擦发光性质的咔唑衍生物并且申请了专利以及研究了咔唑化合物作为电子给体材料在太阳能电池中的表现。通过项目的实施，共发表研究论文2篇，授权1项发明专利，培养硕士研究生2名。