《材料科学与工程文献综述》3200字

目录TOC\o"1-2"\h\u18860材料科学与工程 122338苝酰亚胺类受体材料合成以及应用 11778摘要 1119621.1苝酰亚胺类受体材料的简况 146781.2苝酰亚胺类小分子受体材料合成与应用研究 263081.3苝酰亚胺类聚合物受体材料的合成与应用研究 4280201总结与展望 6摘要苝酰亚胺（PDIs）具有很大的刚性共轭骨架，是一类优良的有机半导体材料由于其卓越的性能，苝酰亚胺化合物成为研究最早最多的一类材料，已经被广泛用于有机晶体管、界面传输层、太阳能电池等领域。因此我们有必要加强对于这类材料的认知和了解程，基于此本文对苝酰亚胺进行了专项研究。关键词：苝酰亚胺；受体；效率1.1苝酰亚胺类受体材料的简况相对于传统的材料，乙酰亚胺为主的n型半导体材料具有很多优点，例如结构多样化、良好的电子迁移率、高的电子亲合能以及容易修饰。因此，酰亚胺被广泛用于有机太阳能电池的受体材料中。其中，由于苝酰亚胺可见光吸收强、具有良好的光热稳定性、廉价易得等优势，成为有机太阳能电池（OSC）中研究最早最多的一类受体材料。苝酰亚胺的发展经历了苝酰亚胺小分子单体到苝酰亚胺聚合物和齐聚物再到现在的稠合的苝酰亚胺，效率持续被刷新。图1苝酰亚胺内电子受体结构1.2苝酰亚胺类小分子受体材料合成与应用研究苝在1910年被RolandSchol首次发现，是具有五元环的大共轭结构。1912年，苝酰亚胺被发现并被成功合成。在此以后，苝系化合物被大量用于工业染料和纺织品的染料。通过对化学结构的修饰可得到一系列不同颜色的有机染料。苝二酰亚胺是由五个共苯环共轭机构和两个酰亚胺环结构组成，具有很强的电子能力，是一种典型的n型半导体材料。莪酰亚胺可修饰的位点较多分别有酰亚胺位、α位以及港湾位。在酰亚胺位置引入烷基链可调节北酰亚胺的溶解性，在α位和港湾位引入其他基团不仅可以调节分子的溶解性、分子构型还会影响它们的能级吸收等。因此苝酰亚胺可修饰性强，是一类具有潜力功能材料。图2苝酰亚胺及其聚集现象1986年，Tang以北酰亚胺为受体，以酞菁铜为给体，制备了双层异质结有机太阳能电池如图3，获得了19%的光电转化效率。CuPc是典型的p型材料，PV是典型的n型材料，组成的pn结能够提供驱动力克服激子的束缚能，从而有效地提高了光电转换效率。图3双层异质结有机太阳能电池2010年，Siu-ChoonNg课题组通过D-A-D的设计原则，分别在苝酰亚胺的两边的氮上引入两个四辛基二芴得到化合物BEPBE（如图4)，该化合物在常见的溶剂如氯仿、甲苯中有较好的溶解性，分解温度在430℃,LUMO能级在4.07eV，与PCBM的能级相似，在活性层中用作受体材料得到0.13%的光电转化效率。2012年，K.S.Narayan课题组通过酰亚胺位置将两个韭酰亚胺相连，得化合物PD-PDI，两个苝酰亚胺之间有一定的扭角，破坏了分子的平面性，与平面的苝酰亚胺分子相比较，填充因子提高了10倍，光电转化效率可达2.78%。图4BFPBF与PDI-PDI的结构式2020年，王朝晖课题组合成了两个互为构型异构的以碗烯为核稠环化的扎酰亚胺分子CPR1和CPR2，以P3TEA为给体，分别得到了11.2%和10.3%0的效率。CPR1和CPR2展现了不同的自组装框架结构。CPR1比CPR2具有更好的对称性，因此更倾向于形成更有序的形貌，包括小的结晶域和更纯的相分离此外，根据结晶学数据结果得出，CPR1与CPR2的堆积模式也有所不同，CPR1呈现出各向异性的高度有序的蜂巢晶格，没有其他任何的π-π堆积或其他范德华力。此外，各向异性的分子排列以及分子间不稳定的相互作用使其能够与给体形成更好地共混结和薄膜形态。图5CPR和P3TEA1.3苝酰亚胺类聚合物受体材料的合成与应用研究苝酰亚胺聚合物受体材料，共轭体系增大，成膜性延展性较好，易溶液处理，也是一类比较有希望的非富勒烯受体材料。2007年，占肖卫课题组首次报道了苝酰亚胺聚合物作受体，扭曲的结构使聚集得到抑制，共轭体系的增大以及分子内的电子转移使分子的吸收范围明显拓宽，作为受体材料在有机全聚合物太阳能电池中得到了1.03%的效率。2014年，在聚合物受体PPDIIDTT中引入添加剂降低了聚合物受体的聚集，提高了给受体的混合程度，在给受体界面获得了高效率的电子转移，使全聚合物太阳能电池的效率由原来的1.16%的效率到了优化后的1.43%。使用溶剂添加剂DIO(1,8－二碘辛烷）有利于给体一定的结晶性和聚集，提高了相分离，优化后效率为2.92%。最终，同时引入DIO和PDI-2DTT平衡了电荷传输，使得全聚合物效率达到了3.45%这是当时全聚合物太阳能电池报道的最高效率。此后，通过稀释溶液浓度的方法，改变分子的聚集状态，从而优化薄膜形貌，使器件性能达4.63%效率。图6PDI-DTTR和PDI-2DTT2016年，颜河课题组报道了非富勒烯聚合物受体PDI-V,PDI-V聚合物以苝酰亚胺为母体，以亚乙基烯为连接单元，具有较好的平面性，因此有很高的电迁移率。以P1B7-h为给体，不加任何添加剂，获得了7.57%的光电转化效率。在此基础上，该课题组又设计合成了另一种新的聚合物受体PDI-V（如图7）PDI-V的共轭骨架更缺电子，而且能够与PTB7-Th的吸收光谱更加匹配，更重要的是，该受体与给体可以形成更好地相分离形貌，电子迁移率和填充因子也相应地相应地得到提升。在没有添加剂的情况下，得到了8.59%的光电转化效率，其中填充因子为17.07mAcm，开路电压为0.74eV。图7PDI-V和NDI-V2018年张勇课题组合成并探究了三个酰亚胺聚合物受体，PFPD-TTPFPDET和PFPDI-Se，三个聚合物受体的带隙在350-620mm处，PTB7-Th:PEPDITT的器件效率为6.28%,PTB7-Th:PFPDI-T的效率为6.499%,PTB7-Th:PFPDI-Se得到了最高的效率6.58%，其中短路电流为13.96mA/cm2，开路电压为0.76V，填充因子为62%。图8PFPDI-TT、PFPDI-T和PFPDI-Se总结与展望有机太阳能电池发展至今，以苝酰亚胺类化合物为电子受体的有机太阳能电池的光电转化效率远远落后于其他材料，距离商业化还有很大差距。但莪酰亚胺稳定性好原料廉价易得的优点是其他材料无可替代的。因此非常有必要对酰亚胺类电子受体材料进一步改进与创新。在未来研究中工作者们对苝酰亚胺类电子受体的设计与改进主要围绕以下几个方面来开展的：1）由大的刚性平面和元电子共轭结构所导致的强聚集效应会过大的受体相尺寸，影响相分离，且不利于激子的扩散和分离，因此通常被设计成扭曲的三维结构，来抑制苝酰亚胺分子的过度聚集。2）激子的产生主要依赖于活性层中的给受体互补的吸收，韭酰亚胺类分子大部分在400-600mm的可见范围内有强的吸收，吸收范围较窄，不能够对太阳光进行有效地利用，导致有机太阳能器件的短路电流密度较低，影响光电转换效率。3）对于北酰亚胺聚合物电子受体，太大的扭曲不利于激子的分离与传输，因此平衡扭曲度与平面性也是从某种程度上能够解决当前的研究问题。参考文献：[1]朱国民.萘单酰亚胺和苝酰亚胺类受体材料的设计、合成与应用[D].南昌大学.[2]朱琳琳.苝酰亚胺类电子受体材料的合成及其性能研究[D].大连理工大学，2016.[3]丁立伟.蜜胺基团修饰苝酰亚胺的合成与组装[D].湖南大学，2015.[4]胡瑜辉、武文林、于立扬、骆开均、徐小鹏、李瑛、彭强.基于吡咯并吡咯二酮核心的苝二酰亚胺类受体分子的合成及光伏性能[J].化学学报，2020,78(11):9.[5]罗国良.8－羟基喹啉金属配合物类及苝单酰亚胺类受体材料的设计，合成及性质研究[D].南昌大学，2019.[6]詹传郎.苝二酰亚胺基有机小分子受体材料的可控制备[C]//新型太阳能电池暨钙钛矿太阳能电池学术研讨会.2014.[7]张昕.基于苝二酰亚胺二聚体小分子受体材料的设计、合成与光伏性能研究[D].中国科学院大学，2015.[8]施敏敏，陈红征，孙景志，等.新型有机电子受体氟代苝酰亚胺的合成与表征[J].高等学校化学学报，2004,25(3):69-72+4.[9]孔鲁诗，田国峰，李丰，等.含三苯胺结构的非对称型苝酰亚胺的合成及性能[J].高等学校化学学报，2015,36(12):2409-2414.[10]马泽通，梁宁宁，姜玮，等.两种吡咯稠合三聚苝酰亚胺的非对映异构体分子在有机太阳能电池上的应用[C]//第十五届全国光化学学术讨论会.2017.[11]尹航，孙光延.基于亚芳基桥联二聚PDI受体材料光伏性能的理论研究[C]//中国化学会第30届学术年会摘要集－第十八分会：电子结构理论方法的发展与应用.2016.[12]吴梅梅.苝单酰亚胺类受体材料和无规共聚物的合成及其光伏应用[D].南昌大学,2019.[13]蒋旭东.基于非富勒烯受体材料的有机太阳能电池器件性能研究[D].北京交通大学,2018.[14]XinCuoDandanTu.Recentadvancesinrylenedi