有机太阳能电池基于羰基氟化端基的稠环电子受体的合成与性能研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

人类依靠燃烧作为能源的主要转化形式，所以煤、石油、天然气三大化石燃料一直在能源使用中占主导部分。但是传统的三大能源的生产、消耗的方式可持续性低，污染严重，能量转化率受到限制，这些弊端随着日益增长的人类能源消耗量而显露出来。其中，传统能源短缺问题已经成为各国发展所面临的最大难题之一。所以，人们将眼光逐渐从传统能源转向风能、核能、太阳能、生物质能、地热能和潮汐能等能源的技术开发与应用。其中太阳能是一种取之不尽、用之不竭的无污染绿色能源。

一直以来，科学家们致力于探究如何将太阳能高效地转换成能直接利用的热能或电能，希望以此来解决地球的能源短缺问题。从1959年发展至今，有机太阳能电池经历了以单晶硅作为活性层材料到如今的本体异质结结构，光电转化效率正在逐步提高，且以极快的速度在不断刷新最高效率，这正在不断接近理论计算得到的太阳能电池的极限效率33%。这也表明，在不远的将来，有机太阳能电池将会走出实验室，真正应用于实际生产中。受体材料在影响有机太阳能电池光电转化效率方面起着极其重要的作用。其中，富勒烯受体在过去的二十年间一直是有机太阳能电池最主要的受体材料。但是其也具有明显的缺点，例如：在可见光区域吸收较差、合成困难、纯化成本较高、不易进行能级调控等。为了继续提高器件的光伏性能，设计了多种新型的器件结构从而实现光谱吸收的互补、能级匹配，li等人研究了一种基于ptb7-th:coi8dfic的三元有机太阳能电池，发现在添加了第三组分15% pbbd-t-sf或者it-4f时，能够拓宽活性层的吸收光谱，提高分子间的π-π堆积，并保持给体和受体的良好相分离，这使得其光电转化效率超过14%。更为重要的是，与富勒烯相比，非富勒烯受体在高度可调节的分子能级和光吸收光谱，高电子迁移率以及低成本合成方面具有巨大优势。因此，新型非富勒烯衍生物受体材料也在大量涌现，对于这类半导体材料，合理的设计变得尤为重要。在高性能的非富勒烯受体中，具有强吸电子作用的官能团（如羰基和氰基），用于获得较低的最低未占据分子轨道（lumo）能级，因此具有良好的电子接受能力。为了实现较宽的光谱吸收范围以及适当的分子能级，具有上述基团的共轭单元通常与富电子结构单元相连，从而形成分子内电荷转移（ict）效应。例如，具有a–d–a 结构的材料由稠电子的中心单元以及两个缺电子的链段组成，便有利于形成分子内电荷转移，这种材料具有良好的光伏性能。例如，3,9-双（2-亚甲基-（3-（1,1-二氰基亚甲基）-达能酮）-5,5,11,11-四（4-己基苯基）-二硫代[2,3-d-2′，3′d′]-s-茚二酮[1,2-b：5,6-b′]二噻吩（itic）就是一种优异的a–d–a 非富勒烯受体，它具有刚性中心供体单元idtt，可以限制本体异质结共混膜中的分子平面度，聚集和大的相分离。通过将吸电子基团引入其封端来提高或降低其分子能级，其中包括最低未占据分子轨道和最高占据分子轨道（homo）的水平，从而可以调节有机太阳能电池的开路电压。分子内电荷转移效应的增强或减弱可分别导致红移或蓝移吸收光谱，从而导致有机太阳能电池中不同的短路电流密度（jsc）。除此之外，hou等人通过对比研究了it-4f和it-m作为受体时的性能差异，结果显示，氟化的非富勒烯受体it-4f有更强的分子内电子推拉效应，可以增加it-4f的表面张力，与供体pbdb-tf的具有可控混溶性的优势。而且，it-4f的振动松弛比it-m小得多，因而使其制备的有机太阳能电池器件光伏效率达到13.7%。可见通过引入氟原子是一种调节分子内电荷转移效应的有效手段。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备：设计羰基（未）氟化incn具体制备路线，并合成新型有机光伏受体化合物；

材料表征：总结对化合物的结构、电化学性能进行表征的nmr、ms、cv、uv-vis、pl等测试手段。

3. 研究计划与安排

第4－10周：设计新型itic衍生物的制备路线，反应条件。

第11-12周：总结对化合物的结构、电化学性能进行表征的nmr、ms、cv、uv-vis、pl等测试手段。

第13-14周：总结实验数据，完成并修改毕业论文。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] sunsun li, harald ade, jianhui hou et al, energy-level modulation ofsmall-molecule electron acceptors to achieve over 12% effiiency in polymersolar cells [j]. advanced materials.2016, 28,9423–9429.

[2] yun-xiang xu,chu-chen chueh, alex k.-y.jen et al, improved chargetransport and absorption coefficient in indacenodithieno[3,2-b]thiophene-basedladder-type polymer leading to highly efficient polymer solar cells [j].advanced materials. 2012, 24, 6356–6365.

[3] yuze lin, jiayu wang, xiaowei zhan et al, an electron acceptorchallenging fullerenes for efficient polymer solar cells [j]. advancedmaterials. 2015, 27, 1170–1174.