基于苝单酰亚胺非富勒烯有机小分子光伏受体材料的设计、合成及高开路电压和高效有机光电性能的研究

Non-fullerene organic small molecule (OSMs) acceptor materials have made great progress in recent years, due to their prominent advantages of easy synthesis and purification, fixed molecular weight, easier to tune absorption spectra, frontier molecular orbital levels, electron mobility, film-forming properties, and better repeatability for device performance. Perylene monoimides (PMIs)-based OSM acceptors are a new class of non-fullerene organic photoelectric materials which apply in organic photovoltaics (OPVs) with high open-circuit voltage (Voc), and have become the research effort focus recently, due to that it displays broader absorption spectra, higher electronic orbital energy level and higher intrinsic electron mobility, and better film-forming properties. However, to some extent, the number and the variety of non-fullerene OSMs based on PMIs which can be used as photoelectric acceptor for high Voc OPVs are still quite lag behind the requirement for non-fullerene OPVs in reported literature. Since the PMI parent molecules with a large conjugate plane lead to strong aggregation in solid film which forms an intermolecular states at the interface between donors and acceptors. Therefore, this project mainly focuses on synthetic PMIs-based organic small molecular acceptor photoelectric materials with absorption spectra, orbital energy levels, electron mobilities, and film-forming properties. And the nano-morphology of photovoltaic active layers are adjusted through molecular design, in order to achieve the ideal microphase separation, and further prevent the formation of the unfavorable intermolecular state. Selecting the appropriate donor materials to match the small molecule acceptor of PMIs, so as to obtain high Voc and high efficient the organic photovoltaic performance; Furthermore, the non-fullerene OSM structure-photovoltaic properties relationship of the acceptor materials will be investigated.

非富勒烯有机小分子受体最突出的优势是合成及纯化容易、分子量确定、吸收、能级、迁移率和成膜性更易调控，器件性能重现性好，近年来得到快速发展。苝单酰亚胺（PMIs）小分子受体是一类新的非富勒烯有机材料，并显示较宽的吸收光谱，较高的电子能级及本征电子迁移率和较好的成膜性，将其用于光伏器件取得高的开路电压，成为目前小分子受体材料研究工作的热点。然而，文献已报道的小分子受体PMI数量和种类都比较少，在一定程度上限制了其发展。由于PMIs分子具有大共轭平面，在薄膜中导致其过度聚集，会在给受体界面处的激子弛豫形成分子间态这一电池不利因素。本项目着眼于对PMI小分子受体材料的吸收光谱、能级、电子迁移率及成膜性进行研究，并通过分子设计来调控光伏活性层薄膜的纳米形貌，实现理想的微相分离提供可能，进而阻止分子间态的形成。合适给体材料与PMIs小分子匹配，期望获得高开路电压和高效光伏性能；同时，探索非富勒烯有机小分子结构与光伏性能的关系。

近年来，有机太阳能电池受到全球科研工作者的广泛关注，同时，得到快速的发展。（1）我们在苝单酰亚胺的3,6位和9位分别引入二溴和单溴原子经典的受体片段，来构建A-D-A有机小分子受体，通过分子合成手段协调小分子的吸收光谱、轨道能级以及光电性能。（2）通过顺序沉积法（SD）和添加剂相结合的策略改善电荷分离和收集效率的问题，大大地抑制电荷的复合以及提高电荷传输，基于PM6+1,10-癸二醇(DDO)/Y6+1-氯萘（CN）器件效率达到16.93%，同时，获得较高的填充因子（FF）（77.45%）。（3）我们利用氯原子取代端基上的氟原子发展三个非对称稠环小分子受体材料分别为SY1（2F和1Cl），SY2（2F和2Cl）和SY3（3Cl），同时，文献报道的分子Y6（4F）和Y6-4Cl（4Cl）作为对比分子。在一系列受体分子中，SY1显示较高的LUMO轨道能级、较好的分子堆积、平衡的电荷传输以及较优的活性层形貌，这些有利的因素产生16.83%的较优器件效率。（4）为了探索提高非富勒烯有机太阳能电池的形态稳定性，我们利用商业化挥发性固体添加剂9,10-蒽二酮(BDT-1)和苯并二噻吩-4,8-二酮(BDT-2)来调控分子形貌、薄膜吸收强度、电荷转移和分子的结晶性。通过使用这2种固体添加剂，我们发现能够很大程度抑制双分子重组、优化结构域与相区纯度之间的平衡，基于PM6:TPT10的器件，添加BDT-1和BDT-2后的能量转换效率(PCEs)分别为16.26%和15.18%，高于液体添加剂1,8-二碘辛烷(DIO)获得13.55%的PCE值。（5）通过发展“双受体型”三元无规共轭聚合物PBDB-TAZ20和PBDB-TAZ40，协调薄膜结晶性和相分离尺寸，改善电荷传输性能，降低双分子复合，提高有机光伏性能。经过器件优化，我们证实基于PBDBTAZ20:ITIC和PBDB-TAZ40:ITIC无添加剂的有机光伏效率分别达到12.34%和11.27%，均超过基于PBDB-T:ITIC器件效率。（6）我们利用噻吩环取代苯环的端基策略，合成了含有烷基噻吩侧链BDT的BDTCH-IC和含有烷硫基及氟原子噻吩的BDTSF-IC，吸收光谱发生红移，其分子显示更强的结晶性以及更高的激子分离效率，并且给受体混合膜形成较优的形貌。基于PM6: BDTSF-IC器件获得13.1%的PCE。