论文总字数：25030字

摘 要

随着科技的进步，有机太阳能电池的发展也得到人们的广泛关注。苝酰亚胺类材料作为有机太阳能电池受体材料的重要分支近些年来得到迅猛发展。然而苝酰亚胺类材料所固有的不足之处也需要我们对其进行改善。相关研究发现不对称的苝酰亚胺类材料能有效改善其不足，因而开始逐渐受到学者的广泛关注。

本文对太阳能电池的发展历程、器件结构、受体材料进行简要概述，着重介绍了不对称苝酰亚胺中酰亚胺位及湾位不对称苝酰亚胺的合成方法以及其部分衍生物的光电性能，最后对其未来发展提出了结论性的改进方向。通过对不对称苝酰亚胺的研究现状进行概述，能够让我们更好地了解其应用前景以及未来发展方向，并为新型不对称苝酰亚胺分子的设计提供理论及实验指导。

关键词：有机太阳能电池；受体材料；不对称苝酰亚胺

Abstract

With the advancement of technology, the development of organic solar cells has also received widespread attention. Perylene diimide materials, as an important acceptor materials, have made great achievements during the past years. However, the inherent shortcomings of perylene diimide materials also need to be ameliorated. Related studies have found that asymmetric perylene diimide materials can effectively reduce the shortage of perylene diimide materials, so they have gradually received attention and research.

This article provides a brief overview of the development process, device structure, and acceptor materials of solar cells. The synthesis methods of imide-position asymmetric perylene diimide and bay-position asymmetric perylene diimide are introduced, as well as the photoelectric properties of their derivatives. In the end, the general direction of the development of asymmetric perylene diimide is proposed. By summarizing the research status of asymmetric perylene diimide, we can better understand its application prospect and future development direction, and provide theoretical and experimental guidance for the design of new asymmetric perylene diimide molecules.

Key Words： organic solar cell; acceptor material; asymmetric perylene diimide

目 录

第一章 绪论 1

1.1 太阳能电池研究背景 1

1.1.1太阳能电池发展概览 1

1.1.2太阳能电池器件结构 1

1.2 苝酰亚胺受体材料概览 2

1.2.1苝酰亚胺在有机场效应晶体管中的应用 3

1.2.2苝酰亚胺在太阳能电池中的应用 4

1.2.3苝酰亚胺在电致发光二极管中的应用 5

1.2.4苝酰亚胺受体小结 6

第二章 不对称苝酰亚胺分子发展概览 7

2.1 酰亚胺位不对称苝酰亚胺分子 7

2.1.1.合成方法概述 8

2.1.2小分子不对称苝酰亚胺研究概览 10

2.1.3酰亚胺不对称苝酰亚胺聚合物研究概览 16

2.2 湾位不对称苝酰亚胺分子 17

2.2.1湾位苝酰亚胺合成概览 17

2.2.2湾位不对称苝酰亚胺研究概览 18

第三章 总结与展望 23

3.1总结 23

3.2展望 23

参考文献 24

致 谢 29

第一章 绪论

伴随全球气候的不断变化、生态环境的不断恶化以及能源安全事故的不断发生，我们需要重新审视现有的能源基础设施，并对其未来发展做出重大改革。在过去的数十年中，许多学者提出了一系列大规模的可再生绿色能源计划，其中主要基于自然界广泛存在的风能、水能和太阳能 ^[1][2][3][4]。同其他可再生能源相比，太阳能的来源则更加广泛，并且其所采用的发电技术与现有的电力技术完全兼容，与此同时还呈现出较高的安全保障，在技术上和安全应用等领域均呈现出能广泛应用的潜力 ^[5]。

1.1 太阳能电池研究背景

1.1.1太阳能电池发展概览

太阳能电池作为太阳能应用的最基本模块，从最初发现到现在迅猛发展，经过了许多不同的发展阶段。1954年，位于美国的贝尔研究所率先发现 p-n 结构可以产生电压，依此成功地发明出硅太阳能电池，从此开启了光电转换研究的时代 ^[6]。1958年，Kearns 等人制备出第一个具有单层器件结构的有机太阳能电池。但实验得到的能量转换效率极低，因此并未获得人们的广泛关注 ^[7]。1959年，Kallmann 和Pope 在单层器件的电极片之间填入有机材料蒽的单晶，测试表明其 开路电压仅为0.2 V，能量转换效率也不高^[8]。1986年，Tang 创造性地提出面异质结结构的概念，原本单层器件结构中的单层活性层由电子给体（p 型）/电子受体（n 型）两种类型的材料进行替代，进而制备了具有双层活性层结构的有机太阳能电池 ^[9]。1992年，Sariciftci 发现，激子在有机半导体材料与富勒烯的界面上，电荷能以较高的速率进行分离，且分离后难以再次复合 ^[10]。以此发现为基础，他们首次以富勒烯材料作为受体材料应用于太阳能电池中，并且得到了较高的能量转换效率^[11]。1994年，Heeger 和Yu 等人在面异质结结构的基础上创造性地提出了体异质结结构（Bulk-heterojunction）并在太阳能电池中进行成功地应用，能量转换效率达到了2.9% ^[12][13]。此后，体异质结结构便成为有机太阳能电池的主要研究方向。此后，伴随新型高性能的半导体给体材料的不断开发，有机太阳能电池的能量转换效率也不断提高。以富勒烯为受体材料的有机太阳能电池的能量转换效率已经超过了10% ^[14]。

1.1.2太阳能电池器件结构

回顾太阳能电池的发展进程，我们不难发现除了给、受体材料在不断创新外，太阳能电池的结构也在不断推陈出新。对上述太阳能电池发展进程进行总结，我们发现其发展顺序可大致分为：单层器件结构、面异质结结构、体异质结结构，具体见图1.1。

图1.1 太阳能电池器件结构

单层器件结构是阴、阳两个电极片中间插入具有导电性能的有机材料，具有器件性能稳定的优点。但是由于该器件能量转换效率太低，具有较大的局限性，进而导致其应用范围较窄。面异质结器件结构基于单层器件结构，将其中的有机半导体活性单层材料替换为由给体材料与受体材料相互贴合的双活性层材料。体异质结器件基于面异质结器件结构，其活性层材料是由给、受体材料的充分混合得到的。目前所报道的高性能有机太阳能电池都是基于该器件结构。然而，体异质结结构在热力学上的稳定性较差，因此制备基于体异质结结构且具有高热力学稳定性和较长寿命的有机太阳能电池仍是当前的一大挑战^[14]。

综上所述，太阳能电池的器件结构模式较为固定，因此我们将着力于发现和改进新的给体、受体材料，使得太阳能电池的能量转换效率得到进一步的提高。

1.2 苝酰亚胺受体材料概览

随着有机受体材料的迅猛发展，性能优异的非富勒烯受体逐渐引起人们的研究兴趣。与最先发现的富勒烯受体材料相比^{[15][16][17][18]}，非富勒烯受体材料在很多方面更具有优势。非富勒烯受体的化学修饰较为简单、合成成本更低、材料种类更具多样性，还可进一步通过对材料的设计与加工以达到对能级和吸收进行有效调控的目的，进而拓宽有机太阳能电池的光谱吸收范围及材料的普遍使用性。此外，与富勒烯电池相比^{[19][20][21][22]}，基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池由于其对光的吸收能力较强、激子的分离驱动力较低和载流子的复合程度较小，进而可以获得较高的能量转化效率 ^[23][24]。其中，苝酰亚胺类衍生物是目前研究较广泛、性能较优异的的非富勒烯受体材料之一^[25]。

苝酰亚胺（ Perylene Diimide ，PDI ），原料便宜易得，刚性芳核上具有多个化学反应位点 ^[26], 其结构如图1.2。由于其在可见光区域有很强的吸收，并具有出色的电子传输和光学特性，以及含有较低的 LUMO 轨道等特点，常被用于构筑电子传输型有机半导体材料 ^[27][28]，在光电器件领域、生物医药领域等科技领域得广泛应用。

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