基于1,2,4-三唑-5-硫酮有机小分子的合成与光伏性能研究

The important strategy to improve the efficiency of small molecule organic solar cell is to synthesize excellent donor materials. In this proposal, we design three different series of D-A conjugated small molecules. The structures of molecules are as follows: A-D-A type small molecules with benzo-fused heterocycle [benzodithiophene (BDT), benzodifuran (BDF), thieno[2,3-f]benzofuran (TBF)] as donor unit, 1,2,4-triazole-5-thione as accepter unit, 2,2’-bithiophene as π bridge were developed; D1-A-D2-A-D1 type small molecules with benzo-fused heterocycle as donor unit, 1,2,4-triazole-thione as acceptor unit, 5-hexyl-2,2’-bithiophene as terminal group were designed; Another new small molecules containing multiple acceptor units were synthesized with benzothiadiazole or benzotriazole as auxiliary acceptor unit, 1,2,4-triazole-thione as terminal acceptor unit. The relationship between molecular structures, blend morphology and photovoltaic properties will be investigated. Furthermore, interface modifications, kinetics and thermodymanics mechanisms in the devices will be deeply explored. This work may provide some significant guidelines for designing high performance photovoltaic materials with low bandgap, deep HOMO level and broad absorption.

合成具有优异性能的给体材料是有效提高有机小分子太阳电池效率的重要途径，项目拟合成三个不同系列的D-A型有机共轭分子。以苯并稠杂环(苯并二噻吩、苯并二呋喃、噻吩[2,3-f]苯并呋喃)为给电子单元，1,2,4-三唑-5-硫酮为吸电子单元，连二噻吩为π桥，设计合成A-D-A型共轭小分子。以苯并稠杂环为给体单元，1,2,4-三唑-5-硫酮为受体单元，分子封端为烷基连二噻吩，合成D1-A-D2-A-D1型共轭小分子。最后，构建并合成给体单元为苯并稠杂环但含有多个受体单元有机太阳电池材料，其中苯并噻二唑、苯并三唑为辅助吸电子单元，1,2,4-三唑-5-硫酮为端基吸电子单元。研究分子结构，共混形貌与太阳电池性能的关系，并对太阳电池界面修饰，动力学和热力学等机制机理进行研究。课题旨在为设计合成具有低带隙、低HOMO能级、宽光谱吸收的高性能太阳电池材料提供科学理论依据和实践参考。

有机太阳电池具有廉价、质轻、透明、可溶液加工大面积柔性器件等众多优势而受到人们的广泛关注。本项目圆满完成了申请书中的各项研究内容，实现了研究目标，课题得到充分执行和深入研究。目前已发表SCI论文8篇，专利4项，培养研究生4名，后期仍然会有很多高水平成果展现。具体工作如下：.合成了三个异辛氧基取代的苯并二杂环(BDC)作为给体（D）单元、DPP作为受体（A）单元的小分子材料：BDTDPP、BTBFDPP和BDFDPP。三个材料均具有良好的溶解性能、稳定的热力学性能、宽的吸收光谱和适当的电化学能级。加入0.3% (v/v)的1,8-二碘辛烷（DIO）作为添加剂，三种小分子的能量转换效率（PCE）分别为3.95%、3.72%和3.41%。.吡啶吡嗪（PP）由于结构中含有N原子和亚胺原子而具有很强的吸电子能力，其可修饰位点多，溶解性和带隙易于调控。课题合成了一种氟代吡啶吡嗪（fPP）为A单元，以烷硫基噻吩取代苯并噻吩（BDT）为D单元的共聚物BDT-S-fPP，加入1,2%的DIO后，基于BDT-S-fPP:PCBM（1:1, w/w）共混膜制备的光伏器件的PCE达到6.2%。并进一步考察了受体单元上不同数目F原子对材料光伏性能的影响，合成了PT-PP、PT-2fPP和PT-4fPP。深入研究了三个聚合物的光物理性质、迁移率和形貌等。结果表明：PP侧链苯环上F原子对它们器件的光伏性能影响较大。基于PT-4fPP的器件，加入0.5%的DIO优化形貌后，PCE为7.61%。.项目构建并合成了侧链氟化的喹喔啉单元（ffQx），通过与BDT聚合得到PBDTT-ffQx。以其为给体材料，PCBM为受体材料的本体异质结太阳能电池获得了8.6%的光伏性能。以此为基础，进一步在Qx侧链苯环的4和4’位置上引入了两个烷基链，合成了基于BDT为D单元、Qx为A单元的氟代聚合物光伏给体材料HFAQx-T。与PCBM共混（1:1.2, w/w），在添加0.25% DIO条件下，光伏器件的PCE值达到了9.2%，与ITIC共混（0.8:1.0, w/w），在退火10分钟（130℃）和添加0.25% DIO的条件下，器件的PCE值达到了9.6%。 HFAQx-T是目前很少既与富勒烯又与非富勒烯受体共混效率同时超过9%的给体材料之一。