熔融非环电子受体高效聚合物太阳能电池外文翻译资料

 2022-07-29 17:12:00

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熔融非环电子受体高效聚合物太阳能电池

摘要：我们设计并合成了基于6,6,12,12-四（4-己

基苯基） - 茚二酮（二噻吩并[3,2-b; 2#39;，3#39;-d]噻吩

）的四个稠环电子受体作为富电子单元和具有0-2个

氟取代基的1,1-二氰基亚甲基-3-茚满酮作为缺电子单

元。 这四种分子表现出宽而强的吸收峰（550-850 nm）

和高消光系数（2.1-2.5）times;105 M-1cm-1。 氟取代降

低了LUMO能级，使吸收光谱红移，并增强电子迁移率。

基于氟化电子受体的聚合物太阳能电池显示出高达11.

5％的功率转换效率，远高于其非氟化对应物（7.7％）

的功率转换效率。 同时我们研究了氟原子数量和位置

对电子性能，电荷传输，膜形态和光伏性能的影响。

介绍：

有机太阳能电池（OSC）因其具有独特的特征，例如低加工成本，半透明度，柔性和轻重量，被认为是硅基太阳能电池的有希望的替代品之一1-3。一直以来，OSC主要使用富勒烯衍生物（例如PC61BM和PC71BM）作为电子受体，其与供电子聚合物或小分子配对，已成功地实现超过11％的功率转换效率（PCE）4-7。然而，富勒烯衍生物的几个主要缺点，如可见区域的吸收差、能级的有限可调谐性和形态不稳定性，阻碍了OSC的进一步发展。另一方面，非富勒烯电子受体具有优于其富勒烯对应物的优点，例如在可见光和甚至近红外（NIR）区域中的增强吸收、可调能量水平、良好的器件稳定性、以及容易的合成和纯化。由于这些原因，非富勒烯电子受体的研究取得了快速进展，并已实现了令人印象深刻的功率转化效率8-35。

最近，二苯并噻吩（IDT）和二苯并噻吩并[3,2-b]噻吩（IDTT）基的稠环电子受体（FREAs）吸引了相当大的注意。36-51这些FREAs表现出广泛而强烈的吸收、合适的最低未占分子轨道（LUMO）和最高占据分子轨道（HOMO）能级，以及高电子迁移率。基于这些FREAs的OSC由于其具有较小的能量损失51和良好的器件稳定性而具有较高功率转化效率。37大多数FREAs，例如ITIC，36 ITIC-Th，37和IDIC，38,48均基于IDT或IDTT供体单位和1 ，1-二氰基亚甲基-3-茚满酮（IC）受体单元。

在这项工作中，我们设计并合成了富电子单元6,6,12,12-四（4-己基苯基） -引达省双（二噻吩并[3,2-b; 2#39;，3#39;-d]噻吩）（IBDT）和三个缺电子单位氟化IC，构建基于用IC或氟化IC封端的IBDT的四种FREAs（INIC系列）的小文库（图1，方案1）。我们的分子设计理由如下。首先，IBDT具有比IDT和IDTT更大的刚性和共面结构以及更强的给电子能力，这两者都有利于增强电荷的吸收和传输。第二，由于氟原子的强电负性，氟化IC具有比IC更强的吸电子能力，并且通过形成非共价F-S和F-H键促进分子间相互作用，有利于电荷传输。52-54第三， INIC系列中的“受体 - 供体 - 受体”结构可以诱导分子内电荷转移，并在整个可见光和甚至NIR区域（500-850nm）产生宽而强的吸收。事实上，我们的研究结果表明相对于非氟化INIC来说，氟化INIC表现出较低的能级、红移吸

收和更高的电子迁移率。此外，基于氟化INIC电子受体和宽带隙聚合物供体FTAZ55（图1）的非富勒烯OSC表现出高达11.5％的PCE，显着高于非氟化INIC（7.7％）。更重要的是，通过这个系列，我们能够研究氟原子数量及其位置在电性能，电荷传输，膜形态和光电性能方面的影响。

图1. INIC系列和FTAZ的化学结构

结果与讨论：

合成和表征。由相应的单氟化或二氟化茚二酮（1,3和6）和丙二腈合成了氟化的IC部分（2,4和7）（方案1）。化合物4是两种难以分离的异构体的混合物。因此，我们不将它们分离而一起用于最终缩合反应。化合物8和9以Pd（PPh 3）4为催化剂的Stille偶联反应得到化合物10。在10中将（4-己基苯基）溴化镁双亲核加成到酯基中，然后通过酸介导的Friedel-Crafts反应和分离的IBDT进行分子内环化（11）。化合物11在-78℃下通过正丁基锂在THF溶液中锂化，然后通过无水DMF淬灭得到醛12。使用在IC 2,4,7和醛之间的Knoevenagel缩合反应合成INIC，INIC1，INIC2和INIC3 12。新化合物通过光谱方法和元素分析完全表征（参见支持信息）。

四种INIC系列化合物在有机溶剂中表现出良好的溶解性，如氯仿（CF）和邻二氯--苯（DCB）。 使用热重量分析（TGA）研究这四种分子的热稳定性（图S1，辅助信息）。 四种化合物的TGA曲线显示从302至342℃变化的分解温度（Td，5％重量损失），表明其具有良好的热稳定性。

在氯仿溶液和薄膜中测量INIC，INIC1，INIC2和INIC3的UV-vis吸收光谱。 在溶液中，四个分子显示从692至710nm具有相似的吸收峰形状（图1a），并且在最大吸收峰处的类似的摩尔消光系数为2.1times;105至2.5times;105M-1cm-1（表1）。 在薄膜中，所有四个分子的吸收峰红移并且比它们的溶液更宽的吸收光谱。 这四种化合物的吸收峰从706逐渐红移到744 nm（图1b）。 氟化使INIC的吸收峰发生红移：INIC2在元位置的F表现出相对于在邻位具有F原子的INIC1的红移吸收，并且具有两个F原子的INIC3相对于只有一个F原子的INIC1和INIC2表现出红移偏移。INIC，INIC1，INIC2和INIC3的光学带隙分别被计算为距离吸收边1.57,1.56,1.52和1.48eV（表1）。

方案1. INIC，INIC1，INIC2和INIC3的合成路线

使用循环伏安法（CV）来研究INIC，INIC1，INIC2和INIC3的电化学性质（图1c）。四种化合物显示不可逆还原波和准可逆氧化波。从开始的氧化和还原电位计算HOMO和LUMO能级，假设FeCl 2 / O的绝对能级低于真空4.8eV。 INIC，INIC1，INIC2和INIC3的HOMO能级估计为-5.45eV至-5.54eV，LUMO能级为-3.88eV至-4.02eV（图1d，表1）。氟化降低分子HOMO和LUMO能级。具体情况如下：具有两个氟的INIC3具有比具有一个氟的INIC1和INIC2的LUMO水平低，而三个氟修饰的分子显示相似的HOMO水平。根据CV数据估计的INIC，INIC1，INIC2和INIC3的带隙分别为1.57,1.57,1.54和1.50eV，类似于光学带隙。

使用空间电荷限制电流（SCLC）方法（图S2）测量四种化合物的电子迁移率。 INIC，INIC1，INIC2和INIC3的电子迁移率分别为6.1times;10-5,1.0times;10-4,1.2times;10-4和1.7times;10-4cm2 V-1s-1（表S1）。 氟化化合物，特别是二氟化INIC3，表现出较高的迁移率

光伏性能。我们以前报道的宽带隙（2.00eV）聚合物供体FTAZ在400-620nm显示强吸收，摩尔消光系数为9.8times;104M-1cm-1，与INIC系列的吸收互补（图S3 ）。55FTAZ（HOMO = -5.38eV; LUMO = -3.17eV）的能级与INIC系列的能级相匹配（图1d）。FTAZ表现出1.2times;10-3cm2 V-1s-1,56的高空穴迁移率，与INIC系列相匹配（表S1）。因此，我们使用FTAZ作为供体和INIC系列作为受体以制造具有氧化铟锡（ITO）/ ZnO / FTAZ：受体/ MoOx / Ag的结构的本体异质结（BHJ）OSC。优化的FTAZ /受体重量比为1:1.5（表S2）。优化的1,8-二碘辛烷（DIO）含量为0.25％DIO（v / v）（表S3）。表2总结了优化器件的开路电压（VOC），短路电流密度（JSC），填充因子（FF）和PCE。最佳PSC的电流密度 - 电压（J-V）曲线显示在图2a中。

图1（a）INIC，INIC1，INIC2和INIC3在氯仿中的UV-vis吸收光谱；（b）薄膜的吸收光谱；（c）INIC，INIC1，INIC2和INIC3的循环伏安图；（d）FTAZ，INIC，INIC1，INIC2和INIC3的能级。

表1. INIC，INIC1，INIC2和INIC3的吸收和能级

compd

Td (°C)a

lambda;s,max (nm)b

lambda;f,max (nm)c

εmax (Mminus;1 cmminus;1)d

Egopt (eV)e

HOMO (eV)f

LUMO (eV)g

Egcv (eV)h

INIC

311

692

706

2.1

times; 105

1.57

minus;5.45

minus;3.88

1.57

INIC1

302

710

720

2.2

times; 105

1.56

minus;5.54

minus;3.97

1.57

INIC2

342

704

728

2.1

times; 105

1.52

minus;5.52

minus;3.98

1.54

INIC3

327

710

744

2.5

times; 105

1.48

minus;5.52

minus;4.02

1.50

a从TGA测量的分解温度。 b溶液中的吸附最大值。 c膜中的吸收最大值。 d溶液中lambda;max处的摩尔吸光系数。e由薄膜的吸收边计算的光学带隙。f从起始氧化电位估计的fHOMO能级。g从起始还原电位估计的gLUMO能级。h从CV估计的hHOMO-LUMO缺口。

lt;

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