A-DA′D-A non-fullerene acceptors for high-performance organic solar cells

Since the world-record power conversion efficiency of 15.7% was achieved for organic solar cells(OSCs) in 2019, the newly developed non-fullerene acceptor(NFA) Y6 with an A-DA′D-A structure(A denotes an electron-accepting moiety, D denotes an electron-donating moiety) has attracted increasing attention. Subsequently, many new A-DA′D-A NFAs have been designed and synthesized, and the A-DA′D-A NFAs have played a significant role in the development of high-performance non-fullerene organic solar cells(NF-OSCs). Compared with the classical A-D-A-type acceptors, A-DA′D-A NFAs contain an electrondeficient core(such as benzothiadiazole(BT), benzotriazole(BTA), quinoxaline(Qx), or their derivatives) in the ladder-type fused rings to fine-tune the energy levels, broaden light absorption and achieve higher electron mobility of the NFAs. This review emphasizes the recent progress on these emerging A-DA′D-A(including Y-series) NFAs. The synthetic methods of DA′D-fused rings are introduced. The relationships between the chemical structure of the A-DA′D-A NFAs and the photovoltaic performance of the corresponding OSCs are summarized and discussed. Finally, issues and prospects for further improving photovoltaic performance of the OSCs are also proposed.     

含靛红并苊醌二甲酰亚胺端基的A-D-A型小分子受体材料的合成及其光电性质研究

以靛红/氮杂靛红并苊醌二甲酰亚胺为受体端基,以引达省并噻吩衍生物为电子给体,设计并合成了两个结构新颖的A-D-A型小分子电子传输材料(A1和A2),结合密度泛函理论计算对比研究了吡啶氮原子的引入对A1和A2的分子结构、吸收光谱以及能级结构的影响.理论计算和吸收光谱研究发现:相比A1,吡啶氮的引入不仅可以提高A2的骨架平面性,而且还可以使其分子内电荷转移吸收峰发生27nm的红移.电化学和理论计算研究表明,吡啶氮原子的引入增强了A2的电子亲和力,因而有效地降低了A2的最高已占分子轨道(HOMO)和最低空分子轨道(LUMO)能级.以A1和A2为电子受体材料,以商业购买的PBDB-T为电子给体材料,构造了含PBDB-T:A1或PBDB-T:A2(质量比1∶1)共混薄膜的非富勒烯太阳能电池器件,其最高能量转换效率分别获为5.19%和6.19%.     

基于TPA-DPP骨架的新型D-A-D'有机小分子给体的设计与性能

以三苯胺(TPA)-吡咯并吡咯二酮(DPP)为骨架,分别以咔唑(CZ)和芴(FLU)为端基合成了2种新型D-A-D′型小分子给体材料TPADPPCZ和TPADPPFLU,通过紫外-可见吸收光谱和循环伏安法研究了它们的光学和电化学性质.TPADPPCZ和TPADPPFLU均获得了较窄的带隙(1.66和1.81eV),与TPADPPCZ相比,TPADPPFLU的HOMO能级更低(分别为-5.13和-5.26eV).此外,以富勒烯PC₇₁BM为受体,TPADPPCZ和TPADPPFLU为给体制备了本体异质结有机光伏器件.基于TPADPPFLU材料制备的器件获得了更高的开路电压0.88 V,同时得到了3.54%的光电转换效率.结果表明在D-A-D′不对称结构中引入弱给电子端基(D′)可以有效降低材料的HOMO能级,提升开路电压,最终实现调控光伏性能的目的.     

非富勒烯受体DA'D型稠环单元的结构修饰及电池性能研究

近年来,设计和合成高性能非富勒烯受体(NFAs)材料已经成为太阳能电池研究领域的前沿课题。基于DA'D型稠环结构的NFAs由于具有吸光系数高、能级和带隙可调、结构易于修饰、分子可高效合成、光电学性能优异等优点而受到了越来越广泛的关注。在短短7年的时间里,能量转换效率(PCE)从3%~4%提高到18%。2019年初邹应萍等报道了一个优秀的受体分子Y6,与PM6共混制备单结电池,获得了15.7%的能量转换效率。Y6类受体材料的中心给电子单元为DA'D型稠环结构,缺电子单元(A')通过氮原子与两个给电子单元(D)并联形成稠环结构,这有助于降低前线分子轨道能级并增强吸收,同时与氮相连的两个烷基链和位于噻吩并噻吩β位的两个侧链则有助于提高溶解度及调节结晶性。自Y6问世以来,人们对分子的结构剪裁进行了深入的研究,并报道了数十种新的结构。在这些新的受体中,DA'D部分的结构裁剪对提高器件效率和太阳能电池的性能起着至关重要的作用。本文对A'、D单元和侧链结构修饰的研究进展进行了综述。通过选择几组受体,对最近报道的分子进行分类,并将它们的光学、电化学、电学和光电性质与精确的结构修饰相关联,从而对结构-性能关系进行全面概述。     

基于二酮基吡咯并吡咯的π-共轭分子的有机太阳能电池给体材料的设计与理论研究

本文设计了系列基于二酮基吡咯并吡咯(DPP)的有机小分子太阳能电池(OSCs)给体材料.设计的分子结构中，2个DPP分子片段作为2个端基通过不同的芳香杂环π-桥相连接.利用密度泛函理论和含时密度泛函理论方法研究了所设计化合物的电子和光学性质.研究结果表明，在分子中引入不同的π-桥可以有效调节设计分子的前线分子轨道能量、能隙和吸收光谱，但是对几何结构影响很小.所设计化合物1-8均在近红外光谱区具有强吸收和窄能隙，这有利于提高有机太阳能电池的短路电流和光吸收效率.前线分子轨道分析发现，化合物1-8具有较低的最高占据轨道能级，可提高有机太阳能电池的开路电压.化合物1-3,5和7的前线分子轨道能级与典型富勒烯受体材料相匹配，可选用PCBM,bisPCBM和PC₇₁BM作为受体材料；而化合物4,6和8则应考虑选用其他的太阳能电池受体材料.结果表明，所设计的分子可作为性能优良的OSCs给体材料，为开发和利用太阳能电池给体材料提供理论依据.     

基于氟代异靛蓝并[7,6-g]异靛蓝的共轭聚合物的合成及其半导体性质

采用Stille缩聚,合成了3个异靛蓝并[7,6-g]异靛蓝(DIID)和乙烯单元交替排列的共轭聚合物P0F、P2F和P4F,三者在DIID单元中分别含0、2和4个氟原子(F).3个聚合物均具有良好的平面性,前线分子轨道几乎在整个共轭骨架上离域.它们均具有宽的吸收光谱,吸收范围在400~1000 nm,光学带隙约为1.25 eV;随着氟原子数目的增加,聚合物的最高占有分子轨道(HOMO)和最低空分子轨道(LUMO)能级依次下降0.1~0.2 eV.以这3个聚合物作为活性层,制备了顶栅-底接触型有机场效应晶体管器件,随着氟原子数目的增加,聚合物的传输性质由双极传输变为n型传输.P0F和P2F是双极传输型聚合物,空穴迁移率(μ_h)分别达到0.11和0.30 cm~2 V~(-1) s~(-1),电子迁移率(me)分别达到0.22和1.19 cm~2 V~(-1) s~(-1).P4F是n型聚合物,me达到0.18 cm~2 V~(-1) s~(-1).     

含萘并二噻吩小分子受体材料的带隙调控及其在非富勒烯太阳能电池中的应用（英文）

与富勒烯受体材料相比,非富勒烯受体材料具有更强光吸收、可调的带隙和前沿电子轨道能级等优点。本工作中,我们将报道新型含萘并二噻吩小分子受体材料的设计与合成。该材料的吸电子端基与稠环核之间含有一个噻吩桥,因此与不含噻吩桥的同类受体材料相比,该分子(DTNIT)具有更窄的带隙,能与经典的宽带隙聚合物给体PBDB-T实现更好的吸收互补。基于PBDB-T:DTNIT的聚合物太阳能电池实现了0.91 V的开路电压、增大的短路电流(14.42 mA?cm~(-2)),以及7.05%的光电转换效率。该光电转换效率接近于基于PBDB-T:PC71BM的倒置聚合物太阳能电池的效率(7.12%)。该工作不仅报道了一个新型高效非富勒烯受体的合成方法,同时提供了一种非富勒烯受体材料的能级调控策略。     

含氮D-A加合物的自然杂化轨道研究

采用无参数Fenske-Hall资洽场分子轨道方法计算了氨的三类给予-接受型(D-A)加合物:氢键和锂键型H~3N-AX(A=H,Li;X=F,CI).孤对-空位型H~3N-BX~3(X=H,F,CI,Br)和孤对-σ型H~3N-XX'(X,X'=F,CI)的电子结构. 利用所得波函数对上述体系进行了自然杂轨道分析,给出了三类加合物D-A作用的定域图象. 将分子价的概念推广D-A作用体系的研究,结果表明,在形成D-A加合物时,氨分子价的增量与D-A作用强度呈单调变化,进而提出了用分子价来衡量加合物中D-A相互作用的强弱, 指出了它们相互作用的共通特征在于使分子价的不饱和性得到补偿.     

基于侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺单元的新型聚合物受体的合成及其光电性能

以N-（4-巯基苯基）乙酰胺、7-（溴甲基）十五烷和二溴萘二羧酸酐为原料合成了侧链为烷基硫苯的萘二酰亚胺（NDI）衍生物,将其作为受体单元,硒吩衍生物为给体单元,合成了基于NDI的新型聚合物受体(PNDI PSHD),同时合成了基于苯并二噻吩的D-A型共聚物PBDT(T) TPD作为给体材料,将聚合物给体、受体混合制备聚合物太阳能器件。聚合物的结构和光电性能经¹H NMR、 GPC、 UV、 CV和荧光发射光谱表征,并测试了器件的光伏性能。结果表明：给受体聚合物均具有较高的相对分子量,在太阳光范围具有强而宽的吸收,同时具有相对较低的最高电子占用轨道（HOMO）和最低电子未占用轨道（LUMO）能级,给受体聚合物混合后引起荧光猝灭,器件的能量转换效率（PCE）达到0.72%。     

苯并噻二唑类电子受体材料分子设计与给-受体的理论匹配

设计并理论预测了一系列A'-π-A-π-A'型苯并噻二唑衍生物电子受体分子的几何构型、前线轨道特征、吸光性质及电子重组能等信息,同时考察了丙酮、氯苯溶剂对其性质的影响. 在此基础上将性能优异的受体分子与特定给体分子组合构建给-受体（D-A）界面,通过计算给体HOMO与受体LUMO之间的电子耦合V_if,评估了D-A界面载流子的复合程度. 结果表明,合理选择取代基对核心受体苯并噻二唑进行修饰是调节LUMO能级和能隙的有效方法. 将平面性好的受体材料与非平面型给体材料搭配作为有机太阳能电池光活性层材料,有可能达到降低界面复合、减小光电压损失和提高开路电压的目的. 综合考虑ΔE_L,V_if,光吸收效率及溶剂化效应等因素,D1-1aγ及D1-2aγ组合有望成为电子迁移率高、在可见光和近红外区吸收宽、界面激子可以有效分离且不易复合的理想给-受体分子组合.     

含氮D-A加合物的自然杂化轨道研究

采用无参数Fenske-Hall资洽场分子轨道方法计算了氨的三类给予-接受型(D-A)加合物:氢键和锂键型H~3N-AX(A=H,Li;X=F,CI).孤对-空位型H~3N-BX~3(X=H,F,CI,Br)和孤对-σ型H~3N-XX'(X,X'=F,CI)的电子结构. 利用所得波函数对上述体系进行了自然杂轨道分析,给出了三类加合物D-A作用的定域图象. 将分子价的概念推广D-A作用体系的研究,结果表明,在形成D-A加合物时,氨分子价的增量与D-A作用强度呈单调变化,进而提出了用分子价来衡量加合物中D-A相互作用的强弱, 指出了它们相互作用的共通特征在于使分子价的不饱和性得到补偿.     

四氟苯基宽带隙聚合物给体光伏材料的研究

设计并通过Stille缩聚方法合成了一种基于四氟苯和4,8-双(5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)-苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩单元的推拉电子型宽带隙聚合物(PBDT4F)作为聚合物太阳能电池的给体材料。用核磁共振氢谱(1H-NMR)、凝胶渗透色谱(GPC)、热重分析、紫外-可见吸收光谱和循环伏安法等对其进行了表征。结果表明:PBDT4F对400～600 nm短波长光具有强吸收能力,并且具有低的最高占有轨道(HOMO)能级和适合的最低未占有轨道(LUMO)能级。基于PBDT4F为给体、有机小分子(5Z,5’Z)-5,5’-((7,7’-(4,4,9,9-四辛基-4,9-二氢-s-茚并[1,2-b:5,6-b’]二噻吩-2,7-二基)双(苯并[c][1,2,5]噻二唑-7,4-二基)双(亚甲叉))双(3-乙基-2-硫代-4-噻唑烷二酮)(O-IDTBR)为受体的共混活性层的光伏器件取得了0.986 V的开路电压和2.58%的光电转化效率。     

取代基对苝酰亚胺衍生物气敏传感性能的影响

制备了两类酰胺位置含有吸电子基团的苝酰亚胺衍生物N,N′-双(三氟乙基)-1,7-二溴-3,4,9,10-苝二酰亚胺(PTCDI-3F)和N,N′-双(七氟丁基)-1,7-二溴-3,4,9,10-苝二酰亚胺(PTCDI-7F),并测定了其气敏传感性能.结果表明,两类苝酰亚胺衍生物在水合肼气氛中(10ppm)的灵敏度变化值基本相同、电阻均降低约4个数量级.其原因在于两者具有相同的最低空轨道能级.这表明酰胺位取代基对苝酰亚胺衍生物气敏传感性能的影响较小.     

香豆素型染料敏化剂的合成及光电性能研究

选择带有供电子基团的香豆素作为给体,噻吩基作为桥键,氰乙酸为受体,合成了两种新的具有"D-π-A"结构的香豆素型染料敏化剂,对其光谱性能、电化学性能以及光电转换性能进行了测试.结果表明,两者分子轨道能级与TiO2电极的导带以及电解质I2/I-的氧化还原电位相匹配,保证了电池电流循环的顺利产生.与甲氧基取代的染料敏化剂2-氰基-3-[5-(7-甲氧基-2-羰基-2H-苯并吡喃-3-基)噻吩-2-基]丙烯酸(IIIb)相比,香豆素环7位上二乙氨基取代的染料敏化剂2-氰基-3-[5-(7-二乙胺基-2-羰基-2H-苯并吡喃-3-基)噻吩-2-基]丙烯酸(IIIa)分子内电荷转移吸收较强,紫外吸收光谱红移.IIIa组装得到的染料敏化太阳能电池暗电流降低,具有较高的单色光转化效率IPCE(incident photo-to-currentconversion efficient)和短路电流Jsc,从而具有较高的光电转换效率(Jsc=8.68 mA/cm2,Voc=574 mV,η=3.52%).     

芳香电子供体-受体折叠体的结构与功能

芳香电子供体-受体折叠体是由一定长度的柔性连接分子、含π电子供体(D)或称为富π电子的1,5-二烷基萘酚(Dan)等和含π电子受体(A)或称为缺π电子的1,4,5,8-萘四甲酸二酰亚胺(Ndi)等基团构成,通过分子内或分子间D-A交替堆叠而形成的折叠体。芳香电子供体-受体折叠体的形成涉及二级结构(构象)的分子自组装。自愈合功能的发现是芳香电子供体-受体折叠体研究的新亮点。本文综述各种芳香电子供体-受体折叠体的链结构、分子内或分子间D-A协同相互作用、折叠体结构和形成机理、以及镊子型折叠体的自愈合功能。     

1,4-二酮吡咯并吡咯在聚合物太阳能电池的应用

1,4-二酮吡咯并吡咯(DPP)由于具有优异的共平面性和强烈的拉电子能力,从而被引入D-A型窄带隙共轭聚合物中调控聚合物材料的能隙和能级结构,拓宽在可见光区域的响应范围。近年来,DPP类聚合物太阳能电池材料的研究受到广泛关注,目前基于DPP的聚合物太阳能电池效率高已达9.64%。本文探讨了以DPP作为受体单元而噻吩衍生物、芴、咔唑和苯并二噻吩等作为给体单元制成的D-A型窄带隙共轭聚合物太阳能电池的研究进展,并探讨了聚合物材料结构与太阳能电池性能之间的内在构效关系。     

具有高短路电流特性的D-A共聚物给体材料的理论研究北大核心CSCD

针对目前本体异质结有机太阳能电池活性层使用的给-受体(D-A)共聚物,研究对D-A给体材料的选取是设计高效有机太阳能电池的关键问题。本文分别选取了10种D单元和A单元,采用第一性原理密度泛函方法,研究了D、A单元及其相应共聚物结构和能隙的变化。结果表明:噻吩环稠合时噻吩环的个数、噻吩环与苯环稠合时苯环的个数都可以有效地调制能隙的大小;同时结构中噻吩环上S原子的位置对带隙也有一定影响。在此基础上,选取噻吩并[3,4-b]噻吩D2、双噻吩锗D6和吡咯并吡咯二酮A4为单体的三种带隙值较小的聚合物,研究了三种高短路电流给体材料P_1(PDTG-PT)、P_2(PNTz4T)、P_3(DPPTT-T)的电子结构特性。通过分析其分子链构象、Bader电荷转移和形成能,表明它们是高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料的理想选择。本研究为设计高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料提供了有价值的指导。     

具有高短路电流特性的D-A共聚物给体材料的理论研究

针对目前本体异质结有机太阳能电池活性层使用的给-受体(D-A)共聚物,研究对D-A给体材料的选取是设计高效有机太阳能电池的关键问题。本文分别选取了10种D单元和A单元,采用第一性原理密度泛函方法,研究了D、A单元及其相应共聚物结构和能隙的变化。结果表明:噻吩环稠合时噻吩环的个数、噻吩环与苯环稠合时苯环的个数都可以有效地调制能隙的大小;同时结构中噻吩环上S原子的位置对带隙也有一定影响。在此基础上,选取噻吩并[3,4-b]噻吩D2、双噻吩锗D6和吡咯并吡咯二酮A4为单体的三种带隙值较小的聚合物,研究了三种高短路电流给体材料P_1(PDTG-PT)、P_2(PNTz4T)、P_3(DPPTT-T)的电子结构特性。通过分析其分子链构象、Bader电荷转移和形成能,表明它们是高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料的理想选择。本研究为设计高短路电流有机太阳能电池D-A型给体材料提供了有价值的指导。     

一种新型苝酰亚胺的合成及其与C60之间的电荷转移作用

设计和合成了一种新型苝酰亚胺电子受体—N,N ′-二嘧啶基苝四羧基二酰亚胺(DMP), 利用傅里叶红外光谱和元素分析表征了DMP的分子结构. 通过与N,N ′-二苯基-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(DPP)的循环伏安实验的对比, 证明了嘧啶基的引入降低了分子的LUMO能级. 研究了DMP与C₆₀层-层蒸镀(layer-by-layer evaporation)薄膜的荧光变化, 确认其界面处发生了由于能级位置差异导致的电荷转移.     

热活化延迟荧光蓝光小分子取代基效应的研究进展

近年来, 作为第三代有机发光二极管(organic light-emitting diodes, OLED)发光材料的热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence, TADF)材料受到了学术界和产业界的广泛关注. TADF分子由于其单线态与三线态之间的能级差较小, 三线态激子可以被环境热活化而通过反系间窜越上转换至单线态, 理论上可实现100%的激子利用率, 从而使得OLED器件外量子效率显著提高. TADF材料被认为是突破高效稳定有机电致蓝光发射瓶颈的潜在解决方案. 一般, TADF分子为含有电子给体(donor, D)和电子受体(acceptor, A)的纯有机推拉电子体系. 通过改变给体单元和受体单元的结构、数量和取代基及其位置可以有效调节TADF分子的单线态-三线态能级差、前线轨道分布、聚集态结构、电致发光颜色及其性能. 同时取代基在调控给、受体单元的推拉电子能力及TADF材料的分子构型、聚集态结构和稳定性等物化特性方面扮演着非常重要的角色. 本综述分别对D-A型和多重共振型TADF蓝光分子的取代基效应进行了综述, 以期为高效稳定的蓝光TADF分子的设计合成提供有效借鉴.