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新型非富勒烯受体与水醇溶共轭聚合物的设计合成及有机太阳电池性能研究

1.引言

1.1背景介绍与意义

随着全球能源需求的不断增长和对可再生能源的探索，有机太阳能电池因其质轻、可柔性、可大面积印刷等优点而备受关注。非富勒烯受体（non-fullereneacceptors,NFAs）由于其结构多样性和可调节性，已成为有机光伏领域的研究热点。然而，传统的非富勒烯受体制备的有机太阳能电池存在溶解性差和加工难度大等问题。水醇溶共轭聚合物作为一种新型的材料，其良好的溶解性和加工性能为解决这些问题提供了可能。本研究围绕新型非富勒烯受体与水醇溶共轭聚合物的设计合成及其在有机太阳电池性能中的应用展开，旨在提高有机太阳能电池的效率和实用性。

1.2研究目的与内容

本研究的主要目的是设计合成具有高效光伏性能的新型非富勒烯受体和水醇溶共轭聚合物复合体系。首先，通过对非富勒烯受体的分类和特点进行分析，设计并合成新型非富勒烯受体。接着，探索水醇溶共轭聚合物的结构与性质，设计并实现合成方法。然后，构建非富勒烯受体与水醇溶共轭聚合物的复合体系，并对其进行性能评估。最后，研究新型复合体系在有机太阳电池中的应用及性能优化策略。

1.3文章结构安排

本文首先介绍研究的背景、目的和意义，随后依次展开非富勒烯受体的研究进展、水醇溶共轭聚合物的设计合成、复合体系的构建与性能评估、有机太阳电池性能研究等章节，最后对研究结果进行总结，并对未来的研究方向进行展望。

2非富勒烯受体的研究进展

2.1非富勒烯受体的分类与特点

非富勒烯受体（non-fullereneacceptors,NFAs）是一类不含富勒烯结构的有机半导体材料，其相较于传统的富勒烯受体具有诸多优势。根据结构特点，NFAs可以分为以下几类：A-D-A型、D-A-D型、D-A型等。其中，A代表电子给体，D代表电子受体。这类材料的特点包括：（1）较强的吸收能力，可拓宽光吸收范围；（2）较高的摩尔消光系数，有利于提高太阳电池的短路电流；（3）可通过结构修饰调控能级，优化与共轭聚合物的能级匹配；（4）环境稳定性较好，有利于提高有机太阳电池的寿命。

2.2新型非富勒烯受体的设计与合成

针对非富勒烯受体的特点，我们设计并合成了一系列新型非富勒烯受体。以A-D-A型为例，我们选择噻吩、苯并噻吩等电子给体单元，以及苯并噻二唑、苯并噻吩酮等电子受体单元，通过Sonogashira偶联反应、Stille偶联反应等方法构建非富勒烯受体分子。在分子设计中，我们注重调控给体和受体单元的比例、空间排列以及π-π堆积方式，以期实现优异的光电性能。

2.3新型非富勒烯受体的性能评估

通过紫外-可见吸收光谱、循环伏安法、光物理性能测试等手段，对新型非富勒烯受体的性能进行了评估。结果表明，所设计的新型非富勒烯受体具有较宽的光吸收范围、合适的能级以及较高的电荷传输能力。此外，通过优化分子结构，我们还实现了非富勒烯受体在有机溶剂中的良好溶解性，有利于后续与水醇溶共轭聚合物的复合体系构建。

3.水醇溶共轭聚合物的设计合成

3.1水醇溶共轭聚合物的结构与性质

水醇溶共轭聚合物是一类具有良好溶解性和加工性的聚合物材料，其结构与性质对于其在有机电子器件中的应用至关重要。这类聚合物通常由共轭主链和亲水性侧链组成，共轭主链提供电荷传输能力，而亲水性侧链则赋予材料在水或醇中的溶解性。这种结构设计不仅有利于提高材料的加工性能，还能增强其环境稳定性和机械性能。

水醇溶共轭聚合物展现出独特的光物理、电化学以及热力学性质。通过调整共轭链的长度、刚柔性以及侧链的组成和长度，可以在较大范围内调控聚合物的吸收光谱、能级水平以及电荷传输特性。此外，这类材料的溶解性可通过改变侧链的极性、分子量和支链结构来优化，以满足不同应用场景的需求。

3.2新型水醇溶共轭聚合物的设计与合成方法

新型水醇溶共轭聚合物的设计与合成聚焦于提高材料的综合性能，特别是在有机太阳电池中的应用潜力。设计思路包括：

分子结构设计：通过引入不同的共轭结构单元，如苯并噻二唑、噻吩、呋喃等，来调节聚合物的能级和吸收光谱。

侧链工程：通过改变侧链的组成和长度，实现聚合物在水或醇中的良好溶解性，同时保持其较高的电荷传输能力。

合成方法：采用活性自由基聚合、ATRP等可控聚合方法，精确控制聚合物分子量，提高材料的可重复性和批次稳定性。

合成过程中，采用Suzuki偶联、Stille偶联等催化反应，实现高效率和高产率的聚合反应，确保聚合物结构的精确度和纯度。

3.3水醇溶共轭聚合物的性能研究

对新型水醇溶共轭聚合物进行了深入的性能研究，包括：

光物理性能：采用紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等手段研究了聚合物的光吸收和发射特性。

电化学性能：通过循环伏安法、电化学阻抗谱等评估了材料的电化学稳定性和