双芴类非富勒烯受体材料中间体的合成与性能开题报告

1. 研究目的与意义

随着全球能源与环境问题的日益突出，发展可再生能源与绿色低碳能源成为当今世界解决能源危机的最有效的途径。而太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，引起人们的广泛关注。

目前，我们可将太阳能电池分为无机和有机太阳能电池。无机太阳能电池大多以硅基及其他无机金属化合物构成，其制作成本高，生产工艺复杂，且窄带隙半导体严重的光腐蚀极大程度上制约了太阳能发电技术的推广应用。与之相比，有机太阳能电池 ( organic photovoltaic cells ,OPVs) 则具有独特优势：（1）有机材质易于设计与合成，无资源来源的限制；（2）有机材质质量轻，柔韧性高；（3）制备工艺简单且制备成本低；（4）易于实现大面积发展。在过去十几年,溶液加工本体异质结有机太阳能电池的能量转换效率得到了突飞猛进的发展,从最早的低于1%的效率到最近报道的超过10%的效率。在本体异质结器件效率上持续快速的发展主要归于对材料和器件基础的深入理解,例如,电荷的产生和传输、材料结构的控制、共混膜的形貌等。现在, 有机光伏效率得到提高主要是很多新的给体材料被开发出来,这些给体材料具有优异的特性，如更好的光谱效应，更高的空穴迁移率，与受体有更好的能级匹配。因此，电子受体材料的开发也很重要，但是目前电子受体材料的开发远远低于给体材料的发展。在本体异质结有机太阳能电池中，富勒烯及其衍生物是一类重要的n-型电子受体材料,是目前有机太阳能电池器件中较多使用的材料。但由于富勒烯材料吸光波长较窄（仅集中在短波及紫外光区域）、球形结构容易引起共混形貌的不稳定、溶解性差、成本高等,严重限制了富勒烯及其衍生物有机太阳能电池的更广泛应用和器件性能的进一步提升。而非富勒烯n-型电子受体材料在可见太阳光光谱中比富勒烯及其衍生物材料有更加宽广的吸收范围，溶解性能优异，且非富勒烯小分子受体材料成本低，合成简便，能级更易调节。近年，作为电子受体材料，以PCBM为代表的富勒烯类n-型有机半导体已经被广泛应用于聚合物太阳能电池中，基于聚合物—富勒烯的聚合物太阳能电池效率已经突破11%。本体异质结太阳能电池的发展取得了很大的进展，使用单层吸光体的OPVs最高光电转换效率达到了10.61%，而使用叠层吸光体的OPVs的最高光电转换效率达到了11.83%。近期,研究人员进一步将 PBDB - T 与市售 非富勒烯型受体材料 ITIC 共混构建非富勒烯型 聚合物太阳能电池,在小面积器件(13 mm 2 ) 中 取得了创纪录的 11. 2% 的能量转换效率。这不 仅是目前非富勒烯受体太阳能电池效率最突出的结果之一,并一举使非富勒烯型聚合物太阳能电池效率达到了富勒烯受体的最好水平。2016年，中科院化学课题小组也制备了 1 cm ² 的电池,该电池的效率由具有资质的第三方采用“窗口法” 进行了验证,达到了10. 78% ,是 1 cm ² 聚合物太阳能电池中取得的最高结果。另外,这个电池活性层薄膜形貌也 表现了出色的热稳定性,经过 100 ℃热退火处理 250 h,仍然可以保持接近 11% 的光伏效率。

通过对非富勒烯受体材料的基本现状的分析，针对现非富勒烯小分子受体材料的有关问题，进行优化和改善。结合现有的与有机合成和有机实验相关的知识，合成一种成本低，分子易于激发和载流子传输简便的高性能高光电转换效率的新型非富勒烯受体材料。并对新合成的材料进行相关性能的测定，为以后的非富勒烯受体材料的研究提供一种有益的借鉴。

为此，开发新型非富勒烯受体材料，发展新的电荷传输理论，提高OPVs的电源转换效率（PowerConversion Efficiency , PCE），对将来制备低成本、无污染、高能效的体异质结有机太阳能电池有着重大的发展意义。

2. 研究内容和预期目标

（1）设计合成一种以芴位为核心来合成一种新型非富勒烯受体材料；

（2）研究确定具体的合成工艺条件，拟定出具体实验方案并进行合成；

（3）对产物的结构进行表征（¹hnmr、ir、元素分析等）；

3. 研究的方法与步骤

（1）文献研究法：搜集相关研究文献并对之进行综合、研究、分析，为研究做准备；

（2）调查研究法：通过对相关领域的学长学姐的咨询调查，把握现如今非富勒烯受体材料的基本现状以及一些良好的材料合成技术；

（3）实验分析法：在阅读大量文献的基础上，初步确定合成路线，后经过大量的实验，并针对每个步骤，尽量思考如何降低损耗和提高产率，在实验的同时不断比较、改善以及最终确定合成路线，并全程做好记录。

4. 参考文献

[1]刘艳姣,刘菁,张林骅等.非富勒烯类有机小分子受体材料[j].有机化学,2014,34(5):1021-1033.doi:10.6023/cjoc201311041.

[2]刘欣,苏仕健,曹镛等.基于聚合物给体与非富勒烯有机小分子受体材料研究进展[j].高分子通报,2014,(12):68-80.doi:10.14028/j.cnki.1003-3726.2014.12.007.

[3]黄飞,曹镛.非富勒烯型聚合物太阳电池取得超过11％的光伏效率[j].高分子学报,2016,(4):399-401.doi:10.11777/j.issn1000-3304.2016.16111.

5. 计划与进度安排

（1）2022-2-27~2022-3-12（第二、三周）在查阅文献基础上，写出开题报告。

（2）2022-3-13~2022-6-4（第四周到第十五周）完成合成实验、结构表征及性能测试。

（3）2022-6-5~20222022-6-18（第十六到十七周）撰写毕业论文并答辩。