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深HOMO能级非对称液晶小分子给体设计合成及光伏性能研究

批准号:
22109157
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈海燕
学科分类:
能源材料化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈海燕

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
液晶小分子给体在有机太阳能电池中表现出优异的自组装和电荷传输性能。但液晶小分子给体的强结晶使其全小分子体系活性层形貌精细化调控依旧面临困难,相对偏浅的HOMO能级也是限制性能提升的重要因素。本项目针对液晶小分子给体强结晶和HOMO能级偏浅性能缺陷导致的形貌精细化调控难及开路电压偏低的问题,提出吸电子基非对称修饰设计,构筑深HOMO能级非对称液晶小分子给体,通过调控分子能级、液晶等分子特性,达到精细化调控活性层形貌的目的,最终实现电池开路电压和效率同步提升的设想。首先,研究深HOMO能级非对称液晶小分子给体的设计合成方法,完成材料制备;其次,研究新材料半导体光电性能、液晶及薄膜形貌特征,探究构效关系;最后,研究基于新材料的高效太阳能电池设计制备方法,完成光伏性能的实验验证。该研究致力丰富高效液晶小分子给体种类的同时,提升该类分子在有机光伏领域效能作用的理论认识,为开发高性能电池器件奠定基础。
英文摘要
Liquid-crystalline small-molecule donors (LCSMDs) show excellent self-assembly and charge transfer performance in organic solar cells (OSCs). However, delicately fine-tuning the morphology involving only LCSMDs and small-molecule acceptors is an extremely challenging task, and the shallower HOMO energy level compared with polymer donor is another important factor for limiting the performance improvement of their photovoltaic devices. This project, focus on the abovementioned problems, tries to design and synthesis asymmetric LCSMDs with deep HOMO energy levels using asymmetrically modified electron-withdrawing groups, in order to regulate molecular properties, such as energy levels, liquid-crystal and so on, thus realizing delicately morphology control, and finally enhancing the open-circuit voltage and photoelectric conversion efficiency of OSCs. Firstly, we try to design asymmetric LCSMDs with deep HOMO energy levels through theoretical calculation, and prepare them via organic synthesis reactions. Secondly, we will characterize the semiconductive properties, liquid-crystalline peculiarity and film morphology of asymmetric LCSMDs, and try to clarify the relationship among them. Finally, the asymmetric LCSMDs will be applied in all-small-molecule OSCs, in order to gain the photovoltaic performance of asymmetric LCSMDs. The results of this project not only enrich the class of LCSMDs, but also improve the theoretical understanding about the effectiveness of LCSMDs using in OSCs, laying the foundation for developing high-performance OSCs.
液晶小分子给体在有机太阳能电池(OSC)中表现出优异的自组装和电荷传输性能,在活性层形貌调控方面具有优势。本项目针对液晶小分子给体HOMO能级偏浅及结晶性强缺陷,提出吸电子基非对称修饰设计,构筑深HOMO能级非对称液晶小分子给体,通过调控分子能级等特性,实现活性层形貌优化调控的目的,提升电池效率。项目基于前期开发的液晶小分子给体BTR-Cl分子结构,多位点嵌入Cl原子,打破分子对称性,设计开发苯并二噻吩(BDT)系列不对称小分子给体3种(BDT-3Cl-T1、BDT-3Cl-T2、BDT-3Cl-T3);结合BTR-Cl和寡聚噻吩材料双重分子结构特点,设计开发以并三噻吩(TTP)为核心的T型不对称小分子给体5种(TTP-Cl-T7、TTP-Cl-T9、TTP-Cl-T7-2Cl等);采用卤素多位点移动异构化策略设计开发小分子受体2种(BTP-m-4Cl、BTP-o-4Cl),同时探究了4种小分子界面材料(DCIB、BV、PDIN、Phen-NaDPO)在高效电池体系效率突破方面的新工艺和新方法。研究发现,a)不对称小分子给体相对于对称性小分子给体,与Y6搭配制备全小分子OSC器件效率相比改性前的BTR-Cl没有明显优势,基于新材料的二元单层全小分子OSC效率仅分布在9%~13%之间。但在三元体系中,不对称小分子在形貌优化和器件效率提升上作用明显,基于T27:BDT-3Cl-T1:Y6三元全小分子OSC最高效率达到16.86%。b)基于新开发的小分子受体BTP-m-4Cl和BTP-o-4Cl,三元小分子OSC电池最高效率高达18.1%。c)开发新型小分子添加剂DCIB,成功将PM6:Y6电池效率从15.36%提升至17.02%;结合小分子添加剂BV和顺序沉积工艺,采用PNDIT-F3N和PDIN混合阴极界面层,以及利用无阴极界面小分子自组装策略,成功优化活性层形貌,提升OSC效率。总之,项目设计制备的小分子材料在三元OSC体系表现出优异的形貌调控优势,有利制备更高效率的小分子OSC器件,界面工程优选出的小分子添加剂和小分子界面材料,为OSC探索绿色加工制造、成本低廉化综合考虑提供指导意义。
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