亞三維結(jié)構(gòu)有機(jī)光電材料的合成與性能研究.pdf

1、近些年來，具有亞三維空間結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子材料在有機(jī)發(fā)光二極管、有機(jī)太陽能電池、有機(jī)白光照明等領(lǐng)域有廣泛的研究和應(yīng)用。以單鍵連接兩個(gè)共軛鏈的亞三維結(jié)構(gòu)是其中的代表之一。這種單鍵連接的亞三維空間結(jié)構(gòu)不需要引入過多的烷基鏈就可以增加材料的溶解性，并且能夠抑制材料的結(jié)晶性，促使材料形成無定型的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)；分子由單鍵將兩個(gè)共軛鏈連接起來，使得其具有一定的柔性，能夠根據(jù)周圍環(huán)境進(jìn)行分子空間結(jié)構(gòu)的自調(diào)整，確保了在溶液法制備有機(jī)半導(dǎo)體器件時(shí)能夠形成致密有

2、序的分子堆積；亞三維空間結(jié)構(gòu)具有光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的各向同性，有利于提高半導(dǎo)體器件的載流子遷移率。結(jié)合亞三維空間結(jié)構(gòu)分子所具備的獨(dú)特性質(zhì)，采用聯(lián)苯并噻唑和聯(lián)噻吩為中心單元，構(gòu)筑了一系列具有亞三維空間結(jié)構(gòu)的窄帶隙有機(jī)分子材料，探索這類亞三維結(jié)構(gòu)有機(jī)分子作為電子給體材料在有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用。論文主要分為四個(gè)部分：
　　(1)采用5,5’-聯(lián)-2,1,3-苯并噻唑?yàn)楹?，分別選用芴和咔唑單元為電子給體作為四臂，通過Stille coupl

3、ing反應(yīng)制備出具有不同供電子能力的電子給體-受體-給體型有機(jī)小分子太陽能電池給體材料(DFTBTF和DCzTBTCz)。通過分子模擬發(fā)現(xiàn)分子中心核的兩個(gè)苯并噻唑所在平面的二面角約為60°，說明分子具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。我們將這兩個(gè)化合物作為電子給體材料，通過與電子受體材料PC71BM共混，采用溶液法制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池，均呈現(xiàn)出了一定的光伏性能。其中，DFTBTF的光伏性能為：光電轉(zhuǎn)化效率(PCE)為0.74％，短路電流(Jsc)

4、為2.47mA/cm2，開路電壓(Voc)為1.09 V，填充因子(FF)為27％。
　　(2)由于第一章中電子給體材料的分子量較小，成膜性相對較差，限制了其光伏性能。我們通過延長四臂共軛長度來提高分子量，從而改善其成膜性能，提高材料對太陽光的吸收能力，進(jìn)而達(dá)到提高光伏器件性能的目的。我們分別制備出了摩爾分子量為4899g/mol的SFTBT和摩爾分子量為5021g/mol的SCzTBT單分散性大分子有機(jī)太陽能電池給體材料，同時(shí)制

5、備出了與之相對應(yīng)的一維線型分子LFTBT和LCzTBT。通過分子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，SFTBT和SCzTBT的中心核的兩個(gè)苯并噻唑所在平面的二面角已經(jīng)超過了70°，表明二者具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。通過將一維線型分子LFTBT作為電子給體，PC71BM作為電子受體，制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率為PCE=2.84％，Jsc=2.95 mA/cm2，F(xiàn)F=58.3％，Voc=0.94V；而與之對應(yīng)的亞三維空間結(jié)構(gòu)化合物SFTBT的PCE=

6、3.38％，Voc=1.08V，Jsc=6.75mA/cm2，F(xiàn)F=43％，PCE比一維線型分子LFTBT的光電轉(zhuǎn)化效率提高了19％。亞三維結(jié)構(gòu)的SCzTBT比線型分子LCzTBT的光伏性能也有較大提高。
　　(3)我們以DHPT-SC為對比樣品，采用3,3’-聯(lián)噻吩為中心核單元，氰基異辛酸酯為拉電子單元，并將其放置于四臂末端，構(gòu)筑具有亞三維空間結(jié)構(gòu)的受體-給體-受體型窄帶隙化合物ST10-CN-1，ST10-CN，ST14-CN

7、和ST18-CN。通過分子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，中心核單元的兩個(gè)噻吩所在平面的二面角已經(jīng)超過了80°，表明這些分子具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。通過增加給電子基團(tuán)噻吩的數(shù)目來延長共軛鏈長度，研究不同共軛長度對材料的熱力學(xué)，光學(xué)以及電化學(xué)性質(zhì)的影響。并以 DHPT-SC為電子給體材料， PC71BM為電子受體材料，采用溶液法制備體異質(zhì)結(jié)有機(jī)太陽能電池，其光伏性能為：PCE=1.70％，Jsc=5.35mA/cm2，Voc=0.92V，F(xiàn)F=34.0％；

8、r>　　(4)以3,3’-聯(lián)噻吩為核，以苯并噻唑?yàn)槔娮踊鶊F(tuán)，合成了具有不同烷基鏈長度的窄帶帶隙化合物SC6BT，SC8BT，SC14BT。通過分子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，中心核單元的兩個(gè)噻吩所在平面的二面角也超過了80°，其中SC8BT接近90°，表明這些分子具有亞三維空間結(jié)構(gòu)。三個(gè)分子分別以正己基，異辛基和正十四烷基為取代基，通過延長烷基鏈的長度來改善材料的溶解性和成膜性，并研究了不同烷基長度取代基對材料的熱力學(xué)，光學(xué)以及電化學(xué)性質(zhì)的影響。<