基于双芴的非富勒烯受体材料的合成与性能研究开题报告

研究背景：

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质保障，当今社会经济迅速发展，人们对传统的能源如石油、煤和天然气等需求也与日俱增。但是在各种科学技术都得到长足发展的同时也体现出越来越严重的能源危机和环境污染等问题，这些都严重制约着人类社会的发展，因此积极开发和利用新的能源解决能源危机和环境污染问题显得尤为重要。目前世界许多科学家都在积极研究开发可再生和可持续发展的新能源。比如风能、水能、太阳能、潮汐能、核能等，这些能源大都具有资源丰富、环境友好、易于开发并且能够可循环利用等优点。其中太阳能是作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，因其清洁无污染、储备丰富，没有地域限制等优点成为关注的焦点，开发和利用太阳能并将其转化为电能及其他能源是学术界研究的重大课题。目前人类对太阳能的利用主要有光热转换和光电转换等几种形式，其中由光能转化为电能是太阳能利用的一大重要途径，也表现出良好的应用前景。

太阳能电池的发展最早可以追溯到1839年，法国物理科学家A.E.Becquerel发现将卤化银涂布在金属电极上会产生光电现象，说明了由光转化点的可能性，这是最早发现的光伏效应。之后的很长一段时间里，人们并没有认识到这种光伏效应所带来的价值，直到1954年，美国贝尔实验室成功开发出首个p-n结太阳能电池能量转换效率达到了6%并申请了专利^[5]，此后半导体硅太阳能电池进入了蓬勃发展的阶段，由实验研究转化为生产应用。比如美国就是利用单晶硅太阳能电池作为能量动力发射了人造卫星“先锋一号”。1959年，科学家们又在单晶硅的基础上成功研究开发出多晶硅太阳能电池。随后多元化合物砷化镓等薄膜太阳能电池被研发出来，电池的能量转换效率高达13%，由此多元化合物薄膜太阳能电池进入快速发展的阶段。直到1991年，Gr?tzel教授在发表报道了有关染料敏化太阳能电池（DSSCs）的文章，他是采用TiO₂作为纳米多孔半导体材料，制备出了染料敏化太阳能电池，其能量转换效率达到了7.1%，并且成本相较于多元化合物来说大幅度降低，从此开创了太阳能电池发展的一个崭新的时代，太阳能电池受到前所未有的关注。这种太阳能电池具有特殊的结构，成本低廉，在能量转换效率方面并不逊色于硅太阳能电池，因此世界各国科学家们加入到研究热潮中，研究出了多种结构丰富，性能良好的太阳能电池。

近几年来高分子有机薄膜太阳能电池也取得了快速的进展，目前最高能量转换效率也己经达道11%，由染料敏化太阳能电池演化而来的钙钛矿太阳能电池近几年发展迅猛，能量转换效率逐步发展到了24%，然而钙钛矿电池用到了毒性比较大的金属铅，在电池组装过程中的稳定性和对空气湿度的敏感性等问题依然没有得到很好的解决，这些都极大地限制了其大规模的应用。因此寻求高效环境友好结构新颖的太阳能电池仍是科学家们研究的重点。

纯有机染料敏化太阳能电池因为成本低、制作工艺简单、结构容易修饰、性能稳定、摩尔吸光系数高等优点受到各国研究学者的广泛关注。理想的高效染料敏化剂应该具有比较窄的光谱带隙即较宽的光谱吸收范围、较高的摩尔吸光系数以及与要求相匹配的HOMO、LUMO轨道能级，这将有利于在制作器件中获得高的短路电流（Jsc）和开路电压（Voc）。目前纯有机染料敏化电池的效率已经达到14.3%，表现出良好的应用前景。探索纯有机染料敏化剂的分子结构与性能之间的关系将为进一步开发高效的染料敏化电池提供重要的指导。

有机太阳能电池(organic solar cells， OSCs) ，由于其成本低、质量轻、制造简易、可柔性加工及易于通过分子设计调控器件性能等优势，表现出强劲的发展势头，已经成为光伏领域的研究热点和前沿。然而，在相当长的一段时间内，电池性能一直未有大的提高和改善。体异质结电池概念的提出，则开启了利用 OSCs 的新视野。在体异质结电池中，有机活性层中的电子给体材料和受体材料形成双连续的、相互穿插的网状结构，这使大部分激子在猝灭前能得到有效分离。由光活性层吸收入射光产生束缚的电子-空穴对即激子，其借助化学势梯度扩散到给受体界面处，在这里电子转移到受体的 LUMO 能级上，空穴则留在给体的 HOMO 能级上，从而实现光生电荷分离;被解离的空穴沿给体形成的通道传输到阳极，电子则随着受体形成的通道传输到阴极，被相应的电极收集，从而产生光伏效应。近十多年来，可溶液加工的体异质结有机太阳能电池的发展取得了极大进步，使用单层吸光体的 OSCs，其最高光电转换效率已达到 10. 61%，使用叠层结构的 OSCs， 最高光电转换效率已达到 11. 83%。这主要是源于对有机活性层组分的设计和调控，器件结构和共混层形貌的优化等。目前研究比较多的是具有强而宽的光谱吸收、高的空穴传输能力、与受体材料合适的能级匹配的窄带隙的新型给体材料，对受体材料的研究则相对滞后。

通常，电子受体材料属于 n 型半导体，有相对低的 HOMO/LUMO 能级，LUMO 能级的降低使得受体材料具有强的电子亲合力，电荷传输能力主要借助大的π共轭体系。目前，占据主导地位的电子受体材料是富勒烯及其衍生物，这与其自身的独特性相关:( 1)LUMO 能级为三重简并轨道，具有很高的电负性，电子亲合能大;( 2)独特的三维球状结构和电子传输各向同性，有利于激子在空间各个方向的扩散和电荷的有效传输;( 3)大的π共轭体系和刚性的分子骨架，能够促进激子的分离和抑制电荷的复合，同时，其独特的球形结构容易形成独立的聚集态，嵌插在给体材料的连续相中间。目前高效的有机光伏器件都是以富勒烯类衍生物作为电子受体材料的，然而富勒烯类材料也存在自身缺陷:其光吸收主要集中在短波及紫外光区域，球形结构则容易引起共混形貌的长期不稳定性，且制备和提纯困难、成本高、能级调控有限等，这些都限制了电池性能的提高和商业化使用。综上，开发新的非富勒烯类受体材料、发展新的电荷传输理念、提高 OSCs 的整体效率和性能具有重要的研究价值和实用价值。非富勒烯类受体材料的研究也得到广泛关注。

研究目的及意义：

随着全球能源和环境问题的日益加重，发展可再生能源和绿色能源已经成为解决世界能源短缺和环境污染问题的有效方法。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，将对环境的保护起到很重要的作用。