以吩噻嗪为核的电子受体材料的分子设计

2019-01-17，，，

山东化工 2018年24期

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(百色学院化学与环境工程学院，广西百色 533000)

有机太阳能电池因具有可溶液加工、便携、制备简单、环保等优点，是当前太阳能电池领域的研究热点之一[1]。有机太阳能电池常由阳极、阳极修饰层、活性层、电子传输层和阴极材料构成。其中光活性层部分对光生激子的产生、激子扩散和电荷分离等过程均有很大影响，因此光活性层性能是决定有机太阳能电池的光电转换效率的重要因素。

光活性层由给体材料和受体材料构成，早期给体材料发展较为迅速[2-4]，其中PTB7-Th是一种商业化给体材料，将其与传统富勒烯受体匹配，制备的有机太阳能电池器件的光电转换效率也早已超过10%。因此，本文选用PTB7-Th为给体材料。近几年非富勒烯类受体材料发展较为迅速，其中小分子受体材料相对于聚合物受体材料，具有提纯简单、分子量明确等优点。目前常见的小分子受体材料有：苝二酰亚胺类[5]、吡咯并吡咯二酮 DPP 类[6]、苯并噻二唑 BT类[7]和其他缺电子芳香稠环小分子受体类[8]等。活性层中给受体材料的能级要能互相匹配，才能确保电子的光生激子的有效分离。因此，给受体材料的HOMO和HOMO，LUMO和LUMO能级差要大于0.3～0.5eV[9]，才不会发生电子与空穴结合现象。因此我们计算了所设计的受体分子的能级。为确保电子在受体材料中有较高的电子迁移速率，我们对其结构参数和前线分子轨道也进行了分析和计算。

1 实验方法

本文设计了一系列以吩噻嗪衍生物为核，噻吩单元为桥的受体分子，其结构简式如图1所示。图1中A为受体单元，我们在该系列受体分子中均分别选用2-乙烯基丙二腈、茚二酮、3-(二氰基亚甲基)靛酮和1,3-双(二氰基亚甲基)茚满四种基团为受体基团，四种分子分别被命名为PSCN、PSYT、PSYN和PSYCN。

图1 受体分子结构示意图

该系列分子的结构优化都是在B3LYP/ 6-31G(d)水平上计算的，随后采用相同的方法对这些分子进行了频率计算，以确保所得的优化结构是稳定的。本文中所有计算均在高斯16程序包中进行的。

2 结果与讨论

2.1 能级参数

给受体材料能级匹配，电池才可能获得较高的光电转换效率。PTB7-Th给体为聚合物，通过计算发现，随着聚合度增加，其HOMO与LUMO能级变化趋于稳定。为节省计算资源，本文在B3LYP/6-31G(d)水平上计算了PTB7-Th给体为聚合度为5的分子，其HOMO和LUMO能级分别为-5.00eV和-3.01eV。

图2 给受体材料的能级图

在相同的计算水平上，本文所设计的受体材料的能级分布情况如图2所示。其中PSCN和PSYT的LUMO能级均大于给体的LUMO能级，PSYN的LUMO能级与PTB7-Th的LUMO能级差也不足0.3eV。它们的HOMO能级虽均小于-5.00eV，但能级差也均小于0.3eV。因此，从能级匹配角度来说，这三种受体分子的能级不适合与给体PTB7-Th匹配，无法确保在给受体界面上光生激子的分离。而PSYCN分子的HOMO与LUMO能级均能与给体PTB7-Th匹配，符合受体材料的设计条件。根据太阳能电池计算开路电压经验公式[10]：

基于PTB7-Th给体和本文中的PSYCN受体的有机太阳能电池器件的开路电压Voc约为1.28V。

2.2 结构参数

因为分子结构对电子迁移速率有较大的影响，因此，上述四个分子的核-桥和桥-受体的二面扭转角数据如表1所示。

表1 PSA系列受体的二面角

由表1可知，四种受体的核-桥二面角差别不大，表明改变受体单元对此参数影响不大。而对于桥-受体二面角来说，PSYCN的明显大于其他三种受体，这可能是由于1,3-双(二氰基亚甲基)茚满单元与噻吩桥体单元的空间位阻导致的。该扭转角不大，对分子内电子迁移速率应该不会有很大影响，但可以有效避免由于平面结构间的分子聚集引起的电子重排，降低电子迁移率的损失。

2.3 前线分子轨道图

因为从能级角度和结构参数角度来看，PSYCN分子较其他三个受体分子更适合与给体材料PTB7-Th匹配，成为一种潜在的有机太阳能电池受体，因此本文计算了PSYCN分子的前线分子轨道图(图3)。图3中，HOMO轨道主要位于吩噻嗪核的部位。LUMO轨道主要位于受体和桥体部位。HOMO与LUMO轨道分布在整个分子上，这将有助于分子内的电子转移。