有机太阳能电池的超快光谱研究开题报告

全文总字数：5553字

1. 研究目的与意义（文献综述）

能源问题已经成为或者即将成为影响人类社会持续繁荣发展的最大危机。而继化石能源之后，太阳能被认为是最有希望的替代能源。相比于水力发电、核能和风能等，太阳能最大的优点主要是其无限的来源和对环境最小的危害。目前商业化的太阳能电池技术主要基于的是硅基材料，但是硅基材料具有高成本、生产过程会带来的严重污染和不宜制成柔性器件等缺陷，有机太阳能电池材料可以克服这些缺陷。目前聚合物太阳能电池的能量转换效率已经超过9%。与聚合物给体材料相比，有机小分子给体材料有更多的优点，如确定的分子结构，进而使器件的光电转换性能重现性更高，高的迁移率和开路电压，以及能级易于调控，结构多样性等。基于此，近年来围绕小分子太阳能电池的研究越来越多。

在过去的十年中，由于富勒烯受体具有能级可调性差，可见光区吸收弱以及形态不稳定性等缺陷，使人们对有机非富勒烯受体（nfas）的关注持续增加。二酰亚胺（pdi）及其衍生物作为有机太阳能电池（oscs）的电子受体，由于其在可见光区域具有强吸收性，易于化学官能化以及相对较低的成本等优势得到了极大的应用，并在过去五年中取得了巨大成就，同时基于pdi的受体已成为非富勒烯oscs的最有希望的候选者之一。由于pdi核心单元的平面结构，pdi分子通常表现出很强的π-π分子间相互作用，从而增加了激子的扩散长度，从而实现了有效的电荷传输和分离。但是，平面pdi衍生物还表现出自供体-受体共混膜的自聚集、迁移和结晶的趋势，这对器件的性能非常不利。因此，在不削弱激子扩散长度的情况下，限制结晶度是基于pdi受体的设计原则。在此之前已有研究者将平面苝单体整合为星形结构以形成三维（3d）网络来解决了这一折衷问题。

在此实验中我们使用市售的ptb7-th作为电子供体，使用两种新颖的基于pdi的受体tpdi2和ftpdi2，在这两种受体中螺旋pdi二聚体（pdi2）被合并到星形3d结构中。在tpdi2中，三个pdi2单元通过单键连接到中心苯环。对于ftpdi2，三个pdi2单元稠合到核心苯环上。 dft建模结构表明，与tpdi2相比，分子扭转显着降低。通过使用市售的ptb7-th作为电子供体，基于tpdi2的oscs无需添加添加剂即可获得7.25％的功率转换效率（pce），而基于ftpdi2的oscs通过简单的热退火处理（80°c持续10分钟）可获得8.28％的pce。这两种新的基于星形螺旋pdi的螺旋电子受体tpdi2和ftpdi2都显示出有前景的潜力，可以用作光伏器件应用中的电子受体。

2. 研究的基本内容与方案

实验内容：

1、探索适宜的光活性层制备的退火温度和退火时间

2、制备并比较不同比例的d:a光活性层的光学性质

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：按照设计方案，进行实验室仪器、设备的理论知识学习与实践操作。

第7－14周：制备有机太阳能电池器件，完成各项性能测试以及仪器表征。

4. 参考文献（12篇以上）

1. berera, r.;van grondelle, r.; kennis, j. t., ultrafast transient absorption spectroscopy: principles and application to photosynthetic systems. photosynthesis research 2009, 101 (2-3), 105-18.

2. zhong, y.;trinh, m. t.;chen, r.;purdum, g. e.;khlyabich, p. p.;sezen, m.;oh, s.;zhu, h.;fowler, b.;zhang, b.;wang, w.;nam, c. y.;sfeir, m. y.;black, c. t.;steigerwald, m. l.;loo, y. l.;ng, f.;zhu, x. y.; nuckolls, c., molecular helices as electron acceptors in high-performance bulk heterojunction solar cells. nature communications 2015, 6, 8242.

3. wu, m.;yi, j. p.;chen, l.;he, g.;chen, f.;sfeir, m. y.; xia, j., novel star-shaped helical perylene diimide electron acceptors for efficient additive-free nonfullerene organic solar cells. acs applied materials interfaces 2018, 10 (33), 27894-27901.