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吡咯并吡咯二酮与苯骈三氮唑类小分子光伏给体：设计、合成及性能探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展和人口的持续增长，能源需求日益攀升，传统化石能源的有限性以及在开发利用过程中带来的环境污染等问题，如燃烧煤炭产生大量的二氧化碳、二氧化硫等温室气体和污染物，导致全球气候变暖、酸雨等环境灾害频发，促使人们迫切寻求可持续的清洁能源替代方案。在众多可再生能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭、清洁无污染等显著优势脱颖而出，成为研究和应用的焦点。太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键装置，其性能和效率直接影响着太阳能的利用程度，对缓解能源危机和解决环境问题具有至关重要的意义。

有机太阳能电池（OrganicSolarCells，OSCs）作为第三代太阳能电池的重要成员，具有诸多独特的优势，展现出巨大的应用潜力。有机太阳能电池具有可溶液加工的特性，其制备过程可采用旋涂、喷墨打印、狭缝涂布等溶液加工技术，与传统硅基太阳能电池制备过程中需要高温、高真空等复杂且昂贵的工艺相比，溶液加工技术具有设备简单、成本低、易于大规模生产的优点，能够大大降低生产成本，提高生产效率。同时，它还具备质轻的特点，重量通常仅为传统硅基太阳能电池的几分之一甚至更低，这使其在对重量有严格要求的应用场景，如航空航天、便携式电子设备等领域具有明显的优势。不仅如此，有机太阳能电池还具备柔性，能够弯曲甚至折叠，这一特性使其可以应用于各种曲面和不规则表面，为可穿戴电子设备、柔性显示屏等新兴领域提供了新的能源解决方案。此外，有机太阳能电池还具有颜色可调的特性，可以通过选择不同的有机材料或调整材料的组成来实现不同颜色的电池，满足不同场景下的美观需求，在建筑一体化光伏（BIPV）领域具有广阔的应用前景。

在有机太阳能电池中，活性层材料主要包括给体材料和受体材料，它们共同决定了电池的光吸收、电荷产生、传输和收集等过程，是影响电池光电转换效率和稳定性的关键因素之一。与聚合物给体材料相比，小分子给体材料具有结构明确、易于纯化、批次间差异小等优点，能够保证材料性能的一致性和稳定性，有利于实现工业化生产。此外，小分子给体材料的合成和纯化过程相对简单，成本较低，这为降低有机太阳能电池的生产成本提供了可能。因此，对小分子光伏给体材料的研究具有重要的现实意义和应用价值。

本研究聚焦于吡咯并吡咯二酮（DPP）和苯并三氮唑（BTA）类小分子光伏给体材料的设计合成与性质研究。吡咯并吡咯二酮因其宽而强的吸收光谱，高迁移率，成膜性好，易于化学修饰与纯化等优点，被视作是设计合成高效有机光伏材料的理想选择之一，在有机光伏领域得到了广泛而深入的研究。苯并三氮唑具有良好的热稳定性和化学稳定性，能在高温和强酸强碱环境下保持结构不变，其吸收光谱覆盖了可见光和近红外区域，有效提高光伏材料的光电转换效率，且具有高的载流子迁移率和长的载流子寿命，在光伏领域也展现出良好的应用前景。通过对这两类小分子光伏给体材料的研究，旨在深入探究其结构与性能之间的关系，开发出具有更高光电转换效率和稳定性的小分子光伏给体材料，为有机太阳能电池的发展提供新的材料选择和理论支持，推动有机光伏技术的商业化应用进程。

1.2研究现状

近年来，吡咯并吡咯二酮（DPP）类小分子光伏给体材料的研究取得了显著进展。研究人员通过对DPP单元的化学修饰和结构调整，成功合成了多种具有不同性能的小分子给体材料。在共轭骨架构筑方面，通过引入不同的共轭单元，如苯并二噻吩、噻吩等，有效地拓展了分子的共轭体系，增强了分子内的π-π*共轭，从而拓宽了光吸收范围，提高了光吸收效率。通过在DPP单元的侧链引入柔性烷基链、烷氧基链等，改善了分子的溶解性和成膜性，有利于制备高质量的光伏薄膜，且能够调节分子的能级，优化分子与受体材料间的能级匹配。目前，报道的DPP基小分子给体材料的能量转换效率可达8%，但与其它种类的高效率小分子给体材料相比，仍有较大的提升空间。部分DPP类小分子给体材料在稳定性方面存在不足，在光照、热等条件下，其结构和性能容易发生变化，影响了器件的长期稳定性和使用寿命。

苯并三氮唑（BTA）类小分子光伏给体材料的研究也受到了广泛关注。由于苯并三氮唑具有良好的热稳定性和化学稳定性，以及宽的吸收光谱和高的载流子迁移率等优点，基于BTA构筑的小分子给体材料展现出优异的光伏性能。通过调整分子主链结构，如采用D-A、D-π-A-π等共轭策略，将给体“D”单元和受体“A”单元交替连接或稠合构筑分子主链，并合理选择“D”单元（如苯并二噻吩、噻咯并二噻吩等）和“π”桥（如噻吩、并噻吩等单元），很好地调整了分子的吸收谱带、能级、共混薄膜的形貌及载流子迁移率等相关性能。引入功能性侧链，如柔性侧链