基于苝酰亞胺類新型有機半導體材料結(jié)構(gòu)性能的研究.pdf

1、隨著材料科學的發(fā)展，有機半導體材料因其結(jié)構(gòu)可調(diào)和可制備柔性器件等眾多優(yōu)勢得到了廣泛的關注。苝酰亞胺及其衍生物作為一個電子傳輸型（n-型）有機半導體材料，在彩色液晶顯示(LCD)，有機太陽能電池(OSCs)和有機場效應晶體管(OFETs)等方面具有廣泛的研究。然而，由于苝酰亞胺擁有較大的芳香共軛平面，分子間作用力大，易于形成大的聚集體，導致其溶解度差，溶液加工困難，從而限制了其應用。因此，設計合成新型苝酰亞胺分子并研究其聚集結(jié)晶行為與光電

2、性質(zhì)之間的關系尤為重要。本文選取了一系列功能化的苝酰亞胺衍生物，圍繞分子結(jié)構(gòu)、聚集結(jié)晶行為與光電性質(zhì)的關系展開，并對其光電性質(zhì)和器件性能進行了系統(tǒng)的研究。本論文的主要內(nèi)容包括:
　　1.選取了一系列長烷基鏈取代的苝酰亞胺分子(C18-4C1PBI，C16-4C1PBI，C14-4ClPBI和C12-4ClPBI)，對其熱力學、光電性質(zhì)和相轉(zhuǎn)變性質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)它們都有多重熔融峰和結(jié)晶峰，對應了不同的相轉(zhuǎn)變，在用偏光顯微鏡(POM)

3、對其形貌進行表征時，發(fā)現(xiàn)在高溫相向低溫相轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生了明顯的形貌變化。于是重點研究了C18-4ClPBI的相變過程中的形貌變化，發(fā)現(xiàn)C18-4ClPBI可以產(chǎn)生可逆的熱致性液晶，結(jié)合小角X光散射(SAXS)測試擬合了兩相不同的單斜晶胞參數(shù)，這表明液晶分子在三維空間中是高度有序狀態(tài)，在從液晶相向結(jié)晶相轉(zhuǎn)變時有凸起紋理產(chǎn)生，當結(jié)晶相向液晶相轉(zhuǎn)變時凸起紋理消失。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)凸起紋理是由于液晶到結(jié)晶晶形轉(zhuǎn)變時，晶胞參數(shù)變化導致分子傾斜到晶界處，晶

4、區(qū)相互排斥和相互抑制而生成的無定型區(qū)域。同時證實無定型凸起紋理的存在會導致電子遷移率從液晶相(1.51×10-3cm2V-1s-1)到結(jié)晶相(2.67×10-4cm2V-1s-1)顯著降低。
　　2.研究設計了兩個在苝酰亞胺核上引入了硫橋、硒橋的單鍵連接的苝酰亞胺二聚體作為受體材料，將其命名為C4，4-SdiPBI-S和C4，4-SdiPBI-Se。選擇了一個與C4，4-SdiPBI-S和C4，4-SdiPBI-Se吸收互補的中等

5、帶隙的分子DR3TBDTT作為給體，制備非富勒烯-全小分子有機太陽能電池(NF all-SMSCs)。在制備器件的過程中，發(fā)現(xiàn)溶劑退火對于增加給受體的結(jié)晶性、得到合適的相分離尺寸和提高激子遷移率有著很大的幫助。在氯仿氣氛下的溶劑退火，可以使DR3TBDTT∶C4，4-SdiPBI-S器件的PCE從2.52％增加到5.81％，使DR3TBDTT∶C4，4-SdiPBI-Se器件的PCE從2.65％增加到6.22％。而6.22％的效率是目前

6、基于苝酰亞胺受體類非富勒烯-全小分子有機太陽能電池的最高效率之一。
　　3.研究設計了一系列不同烷基鏈取代的苝酰亞胺二聚體Cn，n-SdiPBI-S(n=3，4，5，6，7)，探索其制備的非富勒烯-全小分子有機太陽能電池器件性能與受體烷基鏈長度之間的關系。發(fā)現(xiàn)溶劑退火基于不同烷基鏈取代的苝酰亞胺受體器件性能的提升不同，提升倍數(shù)從2.5倍降低到1.2倍?？紤]到有機分子一般存在奇偶效應，選擇了奇數(shù)烷基鏈的苝酰亞胺分子研究退火前后性能提

7、升不同的原因。
　　4.選擇了一系列不同鍵接位置的苝酰亞胺B-SdiPBI，O-SdiPBI和H-SdiPBI，研究了不同鍵接位置對其分子構(gòu)象、光電性質(zhì)和光伏性能的影響。不同鍵接位置的苝酰亞胺會形成不同程度的π平面扭曲和二面角。B-SdiPBI兩個PBI單元之間的扭轉(zhuǎn)角為67°，由于O-SdiPBI和H-SdiPBI有更大的空間斥力，二面角增加到86°和90°。而三個苝酰亞胺衍生物的單元平面性大小順序為:H-SdiPBI＞O-Sd