摘要
有机太阳电池由于质轻、柔性、可大面积制备等优势，受到了研究人员的广泛关注。近年来，有机太阳电池的光电转换效率取得了突飞猛进的发展，这与活性层材料，特别是受体材料的创新密不可分。然而，目前电子受体材料仍然存在着合成步骤复杂、其电池器件效率较硅基太阳电池低等问题。因此，设计高效率、低成本电子受体，并进一步探究工作机理，对于提高器件效率、推动有机太阳电池的商业化发展具有重要的意义。 我们设计了一系列电子受体材料，在降低材料生产成本、简化合成复杂度、解释有机太阳电池器件机理等方面做出了探究。本文首先设计了两个具有非稠合简单结构的电子受体DF-TCIC和HF-TCIC，两个分子均利用非共价键相互作用，而不是稠合结构维持骨架的平面构型，从而大大简化了分子的合成步骤。HF-TCIC末端氟原子的引入增强了分子内电荷转移效应，进而使其带隙变窄、起始吸收边红移，拓宽了其吸收范围。结果，采用HF-TCIC作为受体组分和宽带隙聚合物PBDB-T作为电子给体的有机太阳电池器件的短路电流密度达到20.04mAcm-2，并实现了9.86%的光电转换效率。这证明了具有非稠合简单结构的受体材料在有机太阳电池中的应用潜力。 论文还探究了受体材料末端基团的修饰对于有机太阳电池器件性能的影响。通过在受体材料末端引入共轭的噻吩基团和溴原子，我们设计合成了两种新的电子受体BTTPC和BTTPC-Br。在与给体PBDB-T匹配的情况下，相比于采用3-(二氰基亚甲基)靛酮作为末端基团的电子受体Y5，两个新分子在吸收相似、最高占据分子轨道能级抬升的情况下，却实现了更为优秀的器件性能。瞬态吸收测试表明，受体材料末端共轭的扩展有效提升了共混膜的激子解离效率，从而使其在较小的给受体能级差下仍然实现了快速的空穴转移。基于BTTPC的器件实现了22.25mAcm-2的短路电流密度和14.51%的光电转换效率，而基于BTTPC-Br的器件的短路电流密度和效率则提高到24.71mAcm-2和15.22%，这也是当时PBDB-T体系中单结有机太阳电池的最高效率。
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