利用基于芴的稠环电子受体的异构效应实现高效有机太阳能电池外文翻译资料

 2022-12-30 11:12

利用基于芴的稠环电子受体的异构效应实现高效有机太阳能电池

摘要

以受体-供体-受体（A-D-A）为结构的非富勒烯电子受体（NFEAs）已经逐渐成为生产高效OSCs的主要n型材料。本文设计合成了两种基于芴单元的异构化受体分子FCTT（TT-C-F-C-TT）和FTCT（T-C-TFT-C-T）。两种分子具有不同的稠环排列，分子几何结构和侧链位置，并且以FIC作为封端单元与使用噻吩（T）作为末端供体的FTCT-FIC相比，带有并噻吩（TT）末端供体的FCTT-FIC的侧链沿主链分布，在FIC受体单元处的位阻更小，通过薄膜掠入射广角X射线衍射（GIWAXS）测量可知，这是由于端基之间存在pi;-pi;堆积，形成了有效的电子传输通道。与异构体FTCT-FIC相比，FCTT-FIC具有更宽的光学带隙和更高的能级。与基于PBDB-T：FTCT-FIC的器件相比，基于PBDB-T：FCTT-FIC的器件效率更高，为10.32%，Jsc为19.63 mA cmminus;2，FF为69.14%。使用聚合物PM6作为给体材料，基于PM6：FCTT-FIC的器件PCE最高值为12.23%。通过引入PC71BM作为第二受体来增强在短波长下的吸收，优化形态并促进电子传输，基于三元共混PM6：FCTT-FIC：PC71BM（1：1：0.5，质量分数比）的器件产生的PCE最高值为13.33%，Voc为0.92 V，更高的Jsc为19.86 mA cmminus;2，FF为73.2%。该结果证明，在一般情况下，对于设计新的A-D-A型非富勒烯受体分子，以并噻吩(TT）为末端的梯形供体的分子设计比相应的以噻吩(T)为末端梯形异构体更好。

引言

有机太阳能电池（OSCs）具有质轻，柔性，在可见光区域的半透明性等固有特性，被认为是下一代太阳能电池的有力的备选1-13。近几年来，非富勒烯受体（NFEAs）因其能生产高效率的有机太阳能电池（OSCs）而得到了迅速发展14-41。有机基NFEAs具有较强的吸收能力，可覆盖紫外-可见和近红外区域，并且具有可调节的HOMO / LUMO能级，使其可同时获得更高的短路电流密度（Jsc）和开路电压（Voc）33-35。当前基于A-D-A结构的FREAs，包含中央富电子供体单元（D）和缺电子受体单元（A）封端。D-A相互作用可以诱导分子内电荷转移，从而获得强大的光捕获能力。A-D-A型NFEAs的电子和位阻特性可以通过富电子中心给体（D）18, 23, 29, 42-49，端基电子受体（A）32, 50-55和侧链27, 56-58得到优化。在确定NFEAs的固有特性方面，尤其是给体核心扮演着更重要的角色。中心对称给体的主流设计基于分子刚性化和平面化的概念59-69。sp3-碳桥与邻近的富电子芳基共价环锁结合，形成了一种完全平坦的梯形结构，可以延长有效共轭，提高电荷迁移率，促进分子间相互作用68-70。此外，连接在中心梯型供体上的烷基侧链对于调节NFEAs分子之间的分子间相互作用也至关重要。一般认为，A-D-A型NFEAs倾向于通过受体端基的反平行堆叠进行自组装，从而产生电子传输通道61。侧链能防止溶液加工过程中的严重聚集，而不会中断端基间的反平行堆积71。因此，侧链的位置应与受体端基保持距离。目前科学家已经开发出许多梯形结构，并将其用于制造高性能A-D-A 型NFEAs。这些较长的共轭梯形供体，主要由噻吩（T），苯（B）和嵌入的二（4-己基苯基）环戊二烯基（C）部分组成，可以具有几种异构体。对于开发新的NFEAs来说，具有不同主链和侧链排列的异构梯型结构的研究是一个前途光明的发展方向。

2015年，Zhan等人首次报道了一种高性能的A-D-A型受体分子ITIC，它利用了一个IC（1,1-二氰基亚甲基-3-茚酮）受体单元和一个梯型供体单元IDTT（引达省并二噻吩并噻吩）（图1a），该供体单元包含一个中心苯环（B），两个并噻吩（TT） 和两个嵌入的C单元环戊烷（表示为TT-C-B-C-TT）23。通过将TT-C-B-C-TT 中的两个外部噻吩移至内部，形成了同分异构结构T-C-TBT-C-T（也称为BDCPDT）（图1a），并由此制备了相应的非富勒烯受体BDCPDT-IC31。与基于BDCPDT-IC的器件相比，基于ITIC的器件通常表现出更好的性能。该结果表明，与其相应的T末端异构体相比，使用TT末端梯形结构设计似乎是更优的选择。此外，Zhan等人也设计了两种异构的阶梯型NFEAs，即FNIC1和FNIC272。有趣的是，采用TT端的FNIC2也比采用T端FNIC1表现出了更好的器件性能。

系统比较TT端和T端异构NFEAs具有重要意义。我们最近开发了另一种NFEA，称为FTCT-FIC，它使用了基于氟的非环状梯形核FTCT（图1a）69。FTCT（也可以表示为T-C-TFT-C-T）包含一个中心二硫芴（TFT），两个外部噻吩和两个嵌入的Cs。FTCT-FIC在可见光和近红外区域具有较强的吸收，但结晶度较弱。PBDB-T:FTCT-FIC（1:1.5，质量分数）的PCE为9.58%，Voc为0.86v，Jsc为19.01mAcm-2，FF为58.61%。FF低归因于较差的形貌和较低的电子迁移率。需要指出的是，FTCT中的所有侧链都位于共轭骨架的同一侧，可能不是理想的分子组装方式。同时，环戊二烯基（CP）环的sp3-碳上的双（4-己基苯基）基团也靠近FIC端基（约10.52Aring;），这对减弱端基的堆积有一定的空间位阻（图1b）。

在这项研究中，我们进一步合成了另一种异构体TT末端芴二环戊硫并[3,2-b]噻吩FCTT（在结构上也称为TT- C-F-C-TT）及其对应的分子FCTT-FIC（图1b）。通过将FTCT中的内部噻吩转移到末端，侧链将更均匀地分布在FCTT主链的两侧。同时，CP环上的侧链与FIC末端基团之间的距离也变长（约12.21Aring;）。与FTCT-FIC异构体相比，FCTT-FIC显示出更宽的光学带隙和更高的HOMO / LUMO能级。与基于PBDB- T：FTCT-FIC的器件相比，使用PBDB-T：FCTT-FIC的器件的PCE更高，为10.32%。此外，基于PM6：FCTT-FIC的器件的效率显着提高了12.23%。PBDB-T和PM6的化学结构如图1c所示。通过引入PC71BM作为第三种成分来增强在较短波长下的吸收，优化形态并促进电子传输73-77，使用PM6：FCTT-FIC：PC71BM的三元混合器件（1：1：0.5，质量分数比）的PCE最高值为13.37%，Voc为0.92 V，更高的Jsc为19.86 mA cmminus;2，FF为73.2%。

结果和讨论

图1中描述了FCTT-FIC的合成路线。在碱性条件下，2,7-二溴芴与1-溴辛烷反应合成化合物1，产率为77%。将化合物1 锂化，然后与2-异丙氧基-4,4,5,5- 四甲基- 1,3,2-二氧杂环戊烷反应得到化合物2，产率为66%。再将化合物2与2-溴噻吩[3,2-b]噻吩-3-羧酸乙酯通过Suzuki偶联反应得到化合物3，产率为76%。再将化合物3与4-己基苯基溴化镁反应，然后进行酸催化的环化反应，形成FCTT，总产率为45%。最后使FCTT甲酰化生成FCTT-CHO，收率为89%。FCTT-CHO与1,1-二氰基亚甲基-5,6-二氟-3-茚满酮（FIC）的缩合得到产物FCTT- FIC。FCTT-FIC在常见的有机溶剂（如氯仿和氯苯）中具有良好的溶解性。新化合物的详细合成过程、质谱、氢谱和碳谱见附件。在热重分析（TGA）测量中，FCTT-FIC分解温度（Td）为339℃，表现出良好的热稳定性。在差示扫描量热法（DSC）测量中，FCTT-FIC未显示熔点和结晶转变。PM6，PBDB-T，FTCT-FIC和FCTT-FIC在氯苯溶液和薄膜中的吸收光谱如图2a所示，其重要参数列于表1。在溶液状态下，FCTT-FIC在500-750nm范围内表现出较强的吸收，在675nm的lambda;max处具有1.38times;105 M-1cm-1的高消光系数。薄膜FCTT-FIC的lambda;max红移34nm，表明固态下存在较强的分子间相互作用。FCTT-FIC的光学带隙估计为1.53 eV。FCTT-FIC的循环伏安图（CV）和能级分别如图2和图2b所示。

FCTT-FIC的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）估计为-5.56 eV / -4.03 eV。与FTCT-FIC相比，FCTT-FIC的吸收能级变高，表明共轭的重排导致电子性质的改变。为了探究分子在主链构象和偶极矩上的差异，应用密度泛函理论（DFT）进行计算。采用具有简化侧链的FTCT-FIC和FCTT- FIC（辛基和4-己基苯基分别简化为乙基和4-甲基苯基）进行模拟。FTCT-FIC和FCTT-FIC均具有高度平面共轭的主链，简化的FTCT-FIC和FCTT-FIC结构的最佳几何结构如图3所示。此外，我们还计算出了烷基苯基侧链的中心与FIC的边缘之间的距离。与FTCT-FIC（10.52Aring;）相比，FCTT-FIC的距离更长为12.21Aring;，这可以降低空间排斥，并为FIC末端的分子间反平行堆积提供更多的空间。FTCT-FIC和FCTT-FIC分子的偶极矩分别为9.39D和9.66D。较大的偶极矩加强了给体-受体之间的传导，从而使得分子内电荷转移能力增强和吸收光谱红移。

为了研究光伏特性，我们制备了具有ITO / ZnO /活性层材料/ MoO3/ Ag结构的反向有机太阳能电池器件。器件的特性J-V曲线和外部量子效率（EQE）光谱如表2和图4所示。使用PBDBT：FTCT-FIC（1：1.5，质量百分比）进行优化的器件的PCE为9.58%，Voc为0.86 V，Jsc为19.01 mA cmminus;2，FF为58.61%， 而采用PBDB-T：FCTT-FIC（1：1，质量分数比）的优化器件的PCE为10.32%，Voc为0.76 V，Jsc为19.63 mA cmminus;2，FF为69.14%。基于PBDB-T：FCTT-FIC的器件Voc较低与FCTT-FIC 的LUMO较高有关。Voc值的差异可归因于混合比和形态的差异。值得注意的是，基于PBDB-T：FCTT-FIC的器件FF明显高于基于PBDB-T：FTCT-FIC的器件，表明PBDB-T：FCTT-FIC系统具有更好的电荷传输能力和微小的电荷复合。为了深入研究电荷传输，我们制造了纯空穴器件（ITO/PEDOT：PSS/活性层材料/Au）和仅电子器件（Al/活性层材料/Al），用空间电荷极限电流（SCLC）模型计算了空穴和电子的迁移率（图S2）。PBDB-T：FTCT-FIC混合物的空穴迁移率和电子迁移率估计为1.03times;10-5/4.13times;10-6 和2.81times;10-5/1.1times;10-4cm2v-1s-1。可以设想，侧链位于更内部的FCTT-FIC对于端基堆叠是有利的。因此，PBDB-T：FCTT-FIC共混物显示出更高的空穴迁移率和电子迁移率，从而改善了Jsc和FF。p型材料和n型FREAs之间精确的能级配对可以确保有效的电荷分离，并使光子能量损失（Eloss）最小化，从而增强Voc。Eloss与吸收光子和释放电子之间的势能差有关78,79。将吸收光谱互补、HOMO/LUMO能级较低的PM6与FCTT-FIC共混。与基于PBDB-T：FCTT-FIC的器件相比，PM6：FCTT-FIC（1：1，质量分数比）的PCE增加了12.23%，Voc从0.76 V显著提高到0.90V。此外，我们根据方程Eloss = Eg<su

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</su

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[275480]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章