可溶性有機光伏小分子的設(shè)計合成策略與器件性能關(guān)聯(lián)研究

一、引言1.1研究背景與意義隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求持續(xù)增長，傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭以及其使用帶來的環(huán)境污染問題，使得開發(fā)清潔、可持續(xù)的新能源成為當(dāng)務(wù)之急。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，在眾多新能源中占據(jù)著重要地位。太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的重要方式之一，其核心在于光伏材料。有機光伏材料作為新興的光伏材料，近年來受到了廣泛關(guān)注。有機光伏小分子是有機光伏材料中的重要組成部分，相較于傳統(tǒng)的無機光伏材料，如硅基材料，有機光伏小分子具有獨特的優(yōu)勢。首先，有機小分子具有明確的分子結(jié)構(gòu)，這使得其性能易于精確調(diào)控。通過對分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計與修飾，可以有針對性地調(diào)整材料的光學(xué)、電學(xué)等性能，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。例如，通過改變分子的共軛結(jié)構(gòu)，可以有效地調(diào)節(jié)材料的吸收光譜，使其更好地匹配太陽能光譜，提高對太陽光的吸收效率。其次，有機小分子的批次間穩(wěn)定性好。由于其分子結(jié)構(gòu)固定，在合成過程中更容易保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，這為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供了有利條件，降低了生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制成本，提高了生產(chǎn)效率。再者，有機小分子易制備和純化。其合成方法相對簡單，所需的合成設(shè)備和工藝條件相對溫和，這不僅降低了生產(chǎn)成本，還減少了對環(huán)境的壓力。同時，純化過程也相對容易，能夠獲得高純度的產(chǎn)品，有利于提高光伏器件的性能。而可溶性有機光伏小分子在上述優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，還具有良好的溶液加工性。這使得它們可以通過溶液旋涂、噴墨打印、刮刀涂布等溶液加工技術(shù)制備成各種形狀和尺寸的光伏器件，為實現(xiàn)柔性、大面積的光伏器件制備提供了可能。這些柔性光伏器件可以應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備，如智能手環(huán)、智能服裝等，為其提供持續(xù)的能源供應(yīng)，使其擺脫傳統(tǒng)電池的束縛，實現(xiàn)更加便捷、舒適的使用體驗；也可應(yīng)用于建筑一體化光伏，將光伏器件與建筑材料相結(jié)合，實現(xiàn)建筑物的自發(fā)電，不僅美觀，還能有效降低建筑能耗，推動綠色建筑的發(fā)展。對可溶性有機光伏小分子的設(shè)計合成與器件性能研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。在科學(xué)研究方面，深入研究其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，有助于揭示有機光伏材料的光電轉(zhuǎn)換機制，為開發(fā)新型高效的有機光伏材料提供理論基礎(chǔ)。通過對分子結(jié)構(gòu)的精細設(shè)計和調(diào)控，可以探索如何提高材料的電荷傳輸效率、降低能量損失，從而提升光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。在實際應(yīng)用方面，提高可溶性有機光伏小分子光伏器件的性能，降低成本，將有助于推動有機太陽能電池的商業(yè)化進程。隨著技術(shù)的不斷進步，有機太陽能電池有望在未來能源市場中占據(jù)一席之地，為解決全球能源問題做出貢獻。1.2研究現(xiàn)狀在可溶性有機光伏小分子設(shè)計合成方法的研究方面，近年來取得了顯著進展。傳統(tǒng)的合成方法主要包括Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)、Stille偶聯(lián)反應(yīng)等，這些方法在構(gòu)建有機小分子的共軛骨架方面發(fā)揮了重要作用。例如，通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)可以將含有不同取代基的芳基硼酸酯與鹵代芳烴連接起來，從而實現(xiàn)對分子結(jié)構(gòu)的精確控制，合成出具有特定共軛結(jié)構(gòu)的有機小分子。然而，這些傳統(tǒng)方法存在一些局限性，如反應(yīng)條件較為苛刻，需要使用昂貴的催化劑和配體，且反應(yīng)時間較長，產(chǎn)率相對較低，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為了克服傳統(tǒng)合成方法的不足，新型合成方法不斷涌現(xiàn)。微波輔助合成技術(shù)在有機光伏小分子合成中得到了廣泛應(yīng)用。微波能夠快速加熱反應(yīng)體系，促進分子的運動和碰撞，從而顯著縮短反應(yīng)時間，提高反應(yīng)效率。研究表明，在微波輻射下，某些有機小分子的合成反應(yīng)時間可從傳統(tǒng)方法的數(shù)小時縮短至幾分鐘，且產(chǎn)率有所提高。此外，電化學(xué)合成方法也展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。該方法通過控制電極電位，實現(xiàn)有機分子的氧化還原反應(yīng)，從而合成目標小分子。與傳統(tǒng)化學(xué)合成方法相比，電化學(xué)合成無需使用大量的氧化劑或還原劑，具有綠色環(huán)保、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點。在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，研究人員通過對分子結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，致力于提高材料的性能。其中，構(gòu)建合適的共軛體系是關(guān)鍵策略之一。共軛體系的長度、共軛程度以及共軛單元的連接方式等都會對材料的光學(xué)和電學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。增加共軛體系的長度通常可以使材料的吸收光譜向長波長方向移動，提高對太陽光的吸收范圍。通過優(yōu)化共軛單元的連接方式，如采用扭曲的共軛結(jié)構(gòu)，可以有效抑制分子間的聚集，提高材料的穩(wěn)定性和電荷傳輸性能。在受體材料中引入氟原子或其他強吸電子基團，能夠有效降低分子的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級，增強分子的吸電子能力，從而提高電荷轉(zhuǎn)移效率和器件的開路電壓。在給體材料中引入特定的官能團，如烷基鏈、烷氧基等，可以改善材料的溶解性和分子間的相互作用，優(yōu)化活性層的形貌，提高電荷傳輸效率。在影響器件性能的因素研究方面，活性層形貌是一個關(guān)鍵因素?；钚詫又薪o體和受體材料的相分離程度、相尺寸以及分子堆積方式等都會直接影響激子的產(chǎn)生、分離和電荷傳輸過程。理想的活性層形貌應(yīng)該是給體和受體形成相互貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相分離尺寸適中，既能保證激子的有效分離，又能促進電荷的快速傳輸。研究表明，通過調(diào)控溶液的濃度、旋涂速度、退火條件等工藝參數(shù)，可以有效控制活性層的形貌。采用溶劑退火處理能夠使活性層中的分子重新排列，形成更有序的分子堆積結(jié)構(gòu)，從而提高器件的性能。界面工程對器件性能也有著重要影響。在有機光伏器件中，電極與活性層之間的界面性質(zhì)會影響電荷的注入和收集效率。通過在電極表面引入合適的界面修飾層，可以改善界面的電學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，降低電荷注入勢壘，提高電荷收集效率。在陽極表面旋涂一層PEDOT:PSS（聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸））作為空穴傳輸層，能夠有效提高空穴的注入和傳輸效率，從而提升器件的短路電流和填充因子。盡管在可溶性有機光伏小分子的研究方面取得了一定的成果，但目前仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的合成方法雖然在不斷改進，但仍難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求，合成過程的復(fù)雜性和成本較高仍然是亟待解決的問題。另一方面，雖然對材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系有了一定的認識，但在精準調(diào)控材料性能方面還存在挑戰(zhàn)，如何進一步提高材料的電荷傳輸效率和穩(wěn)定性，仍然是研究的重點和難點。在器件性能方面，雖然通過各種策略使器件的光電轉(zhuǎn)換效率有了顯著提高，但與傳統(tǒng)無機太陽能電池相比，仍有較大的提升空間，且器件的長期穩(wěn)定性和可靠性也有待進一步增強。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在設(shè)計合成新型可溶性有機光伏小分子，并深入研究其結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和器件制備工藝，提高光伏器件的性能。具體研究內(nèi)容如下：新型可溶性有機光伏小分子的設(shè)計與合成：基于有機光伏材料的光電轉(zhuǎn)換原理，運用分子設(shè)計理論，設(shè)計具有特定結(jié)構(gòu)的可溶性有機光伏小分子。在設(shè)計過程中，充分考慮分子的共軛結(jié)構(gòu)、給電子基團和吸電子基團的搭配以及側(cè)鏈的修飾等因素，以調(diào)控分子的能級結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電荷傳輸性能。通過對共軛體系的拓展和優(yōu)化，增強分子對太陽光的吸收能力，使其吸收光譜更好地匹配太陽能光譜。采用合適的合成路線和方法，如Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)、Stille偶聯(lián)反應(yīng)等傳統(tǒng)合成方法，以及微波輔助合成、電化學(xué)合成等新型合成方法，合成目標小分子。對合成的小分子進行純化和表征，利用核磁共振（NMR）、質(zhì)譜（MS）、紅外光譜（IR）等分析手段，確定其分子結(jié)構(gòu)和純度，確保合成的小分子符合預(yù)期設(shè)計。材料性能測試與分析：對合成的可溶性有機光伏小分子的基本性能進行全面測試和分析。通過紫外-可見吸收光譜（UV-Vis）測試，研究分子的光吸收特性，確定其吸收峰位置和吸收強度，評估分子對不同波長光的吸收能力。利用熒光光譜（PL）測試，研究分子的熒光發(fā)射特性，分析分子的發(fā)光效率和熒光壽命，了解分子的能量轉(zhuǎn)移過程。通過循環(huán)伏安法（CV）測試，測定分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級，明確分子的能級結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的器件制備和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。研究材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系：深入研究可溶性有機光伏小分子的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)系。通過改變分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如共軛單元的種類和數(shù)量、給電子基團和吸電子基團的強度和位置、側(cè)鏈的長度和分支程度等，系統(tǒng)地研究結(jié)構(gòu)變化對材料性能的影響規(guī)律。利用量子化學(xué)計算方法，如密度泛函理論（DFT）計算，從理論層面深入探討分子結(jié)構(gòu)與能級結(jié)構(gòu)、電荷分布、光學(xué)性質(zhì)等之間的關(guān)系，為分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。通過實驗與理論計算相結(jié)合的方式，揭示材料結(jié)構(gòu)與性能之間的本質(zhì)聯(lián)系，為開發(fā)高性能的有機光伏小分子材料提供科學(xué)依據(jù)。1.3.2創(chuàng)新點采用全新的分子設(shè)計理念：在分子設(shè)計過程中，引入一種全新的設(shè)計理念，即通過構(gòu)建具有特殊拓撲結(jié)構(gòu)的共軛體系，打破傳統(tǒng)分子結(jié)構(gòu)的局限性，實現(xiàn)對分子能級結(jié)構(gòu)和電荷傳輸路徑的精準調(diào)控。這種特殊的拓撲結(jié)構(gòu)能夠有效地促進分子內(nèi)電荷的離域化，提高電荷傳輸效率，同時增強分子對太陽光的吸收能力，拓寬吸收光譜范圍。通過量子化學(xué)計算和實驗驗證，發(fā)現(xiàn)這種新型拓撲結(jié)構(gòu)能夠顯著提升材料的光電性能，為有機光伏小分子的設(shè)計提供了新的思路和方法。開發(fā)獨特的合成路線：針對目標小分子的結(jié)構(gòu)特點，開發(fā)了一種獨特的合成路線。該路線巧妙地結(jié)合了多種有機合成反應(yīng)，避免了傳統(tǒng)合成方法中存在的反應(yīng)步驟繁瑣、副反應(yīng)多、產(chǎn)率低等問題。在合成過程中，通過對反應(yīng)條件的精確控制，實現(xiàn)了對分子結(jié)構(gòu)的高度精確構(gòu)建，提高了合成的準確性和重復(fù)性。采用這種獨特的合成路線，成功合成了一系列具有高純度和高質(zhì)量的可溶性有機光伏小分子，為后續(xù)的材料性能研究和器件制備奠定了堅實的基礎(chǔ)。從多維度研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系：不同于以往的研究僅從單一維度研究材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，本研究從多個維度深入探究二者之間的內(nèi)在聯(lián)系。不僅研究分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)對性能的影響，還考慮分子在聚集態(tài)下的形貌、分子間相互作用以及薄膜的微觀結(jié)構(gòu)等因素對性能的影響。通過多種先進的表征技術(shù)，如掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）等，全面表征材料在不同維度下的結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合器件性能測試結(jié)果，建立起多維度的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系模型。這種多維度的研究方法能夠更全面、深入地揭示材料結(jié)構(gòu)與性能之間的復(fù)雜關(guān)系，為材料的優(yōu)化設(shè)計和性能提升提供更有力的支持。二、可溶性有機光伏小分子設(shè)計原理2.1分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系2.1.1共軛結(jié)構(gòu)對光電性能的影響共軛結(jié)構(gòu)在可溶性有機光伏小分子中扮演著核心角色，對分子的光電性能有著深遠影響。從本質(zhì)上講，共軛結(jié)構(gòu)是由一系列單雙鍵交替排列形成的，這種特殊的電子云分布使得電子能夠在分子內(nèi)進行離域運動，從而賦予分子獨特的光電特性。共軛結(jié)構(gòu)的長度是影響光電性能的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)共軛長度增加時，分子的π電子離域程度顯著增強。這是因為隨著共軛體系的延伸，電子的活動范圍擴大，能夠更自由地在分子內(nèi)移動。從量子力學(xué)的角度來看，共軛長度的增加會使分子的能級間隔減小，根據(jù)公式E=h\nu（其中E為能量，h為普朗克常數(shù)，\nu為頻率），能級間隔的減小意味著吸收光的波長向長波方向移動，即紅移現(xiàn)象。實驗數(shù)據(jù)表明，在一些典型的共軛小分子體系中，當(dāng)共軛長度增加一個雙鍵時，其吸收光譜的最大吸收波長可能會紅移數(shù)十納米。例如，在聚噻吩類小分子中，隨著噻吩單元數(shù)量的增加，其吸收光譜逐漸向紅光區(qū)域移動，這使得分子能夠吸收更多波長范圍的太陽光，從而提高對太陽能的捕獲效率。共軛結(jié)構(gòu)的連接方式同樣對光電性能有著不可忽視的影響。不同的連接方式會導(dǎo)致分子的幾何構(gòu)型和電子云分布發(fā)生變化，進而影響分子的電荷傳輸性能。以直鏈型和支鏈型共軛結(jié)構(gòu)為例，直鏈型共軛結(jié)構(gòu)通常具有較好的共平面性，有利于分子間的π-π堆積，能夠形成較為有序的分子排列。這種有序的排列方式為電荷傳輸提供了高效的通道，使得電荷能夠在分子間快速遷移，從而提高載流子遷移率。而支鏈型共軛結(jié)構(gòu)由于引入了側(cè)鏈，會破壞分子的共平面性，導(dǎo)致分子間的相互作用減弱，電荷傳輸受到一定程度的阻礙。但在某些情況下，適當(dāng)?shù)闹ф溄Y(jié)構(gòu)可以增加分子的溶解性，改善材料的加工性能，因此在實際應(yīng)用中需要綜合考慮。在有機光伏器件中，共軛結(jié)構(gòu)的長度和連接方式對光電轉(zhuǎn)換效率起著決定性作用。共軛長度適中且連接方式合理的分子，能夠有效地吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)共軛長度過短時，分子對太陽光的吸收能力有限，無法充分利用太陽能；而當(dāng)共軛長度過長時，分子的穩(wěn)定性可能會下降，同時也會增加分子間的聚集程度，導(dǎo)致電荷傳輸過程中的能量損失增加。合適的連接方式能夠優(yōu)化分子的電荷傳輸路徑，提高電荷分離和傳輸效率，減少電荷復(fù)合，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。2.1.2官能團的作用與調(diào)控官能團作為分子結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對可溶性有機光伏小分子的性能起著多方面的調(diào)控作用。不同類型的官能團具有獨特的電子特性和空間效應(yīng)，能夠通過改變分子的電子云分布、能級結(jié)構(gòu)以及分子間相互作用，來影響小分子的溶解性、穩(wěn)定性和光電性能等關(guān)鍵性質(zhì)。在眾多官能團中，供電子基團和吸電子基團對分子能級的影響尤為顯著。供電子基團，如甲氧基（-OCH_3）、氨基（-NH_2）等，具有較強的給電子能力。當(dāng)它們連接到共軛分子上時，會將電子云推向共軛體系，使得分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級升高。這是因為供電子基團的電子云密度較高，與共軛體系相互作用后，增加了共軛體系中的電子密度，從而導(dǎo)致HOMO能級上升。HOMO能級的升高會使分子的電子更容易被激發(fā)，在光伏器件中，這有利于提高空穴的注入和傳輸效率，從而增強器件的光電性能。吸電子基團，如氰基（-CN）、硝基（-NO_2）等，具有相反的作用。它們能夠從共軛體系中吸引電子，使分子的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級降低。吸電子基團的強電負性使得共軛體系中的電子云向其偏移，減少了共軛體系中的電子密度，進而導(dǎo)致LUMO能級下降。LUMO能級的降低增強了分子的電子接受能力，在有機光伏器件中，有助于提高電子的傳輸和收集效率，同時也能增加器件的開路電壓，對提高光電轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。官能團對分子溶解性的影響也不容忽視。一些具有親水性的官能團，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）等，能夠與水分子形成氫鍵，從而顯著提高分子在水中的溶解性。在有機光伏小分子的合成和器件制備過程中，良好的溶解性是實現(xiàn)溶液加工的關(guān)鍵。通過引入合適的親水性官能團，可以使小分子在常見的有機溶劑中具有良好的溶解性，便于采用溶液旋涂、噴墨打印等溶液加工技術(shù)制備薄膜器件。這不僅降低了制備成本，還能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、柔性器件的制備，拓展了有機光伏器件的應(yīng)用領(lǐng)域。一些長鏈烷基官能團雖然不具有親水性，但它們能夠增加分子的空間位阻，減少分子間的相互作用，從而提高分子在有機溶劑中的溶解性。長鏈烷基的存在還可以改善分子的結(jié)晶性能，優(yōu)化活性層的形貌，有利于電荷的傳輸和分離，提高器件的性能。在分子穩(wěn)定性方面，官能團同樣發(fā)揮著重要作用。某些官能團能夠增強分子的抗氧化能力，提高分子在空氣中的穩(wěn)定性。含有位阻較大的烷基或芳基官能團的分子，由于空間位阻的作用，能夠阻礙氧氣等氧化劑與分子的接觸，從而減少分子的氧化降解。一些具有共軛結(jié)構(gòu)的官能團，如苯環(huán)、噻吩環(huán)等，能夠通過共軛效應(yīng)分散分子中的電荷，增強分子的穩(wěn)定性。在光照和電場等外部條件下，這些官能團能夠有效地抑制分子的光降解和電化學(xué)降解，延長有機光伏器件的使用壽命。二、可溶性有機光伏小分子設(shè)計原理2.2設(shè)計策略與方法2.2.1基于給受體（D-A）結(jié)構(gòu)的設(shè)計基于給受體（D-A）結(jié)構(gòu)的設(shè)計是可溶性有機光伏小分子設(shè)計中的一種重要策略，其原理根植于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的基本物理過程。在這種結(jié)構(gòu)中，給體（D）單元具有相對較高的電子云密度，傾向于提供電子；而受體（A）單元則具有較低的電子云密度，具有較強的吸引電子的能力。當(dāng)給體和受體單元通過合適的共軛橋連接形成D-A結(jié)構(gòu)時，在分子內(nèi)會產(chǎn)生明顯的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。從分子軌道理論的角度來看，給體的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）與受體的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）之間存在一定的能級差，這種能級差促使電子在光照或電場等外界條件的作用下，能夠從給體的HOMO向受體的LUMO轉(zhuǎn)移，從而在分子內(nèi)形成電荷分離態(tài)。這種電荷轉(zhuǎn)移和分離過程對于提高有機光伏小分子的性能具有至關(guān)重要的促進作用。在有機光伏器件中，激子（即由光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對）的分離是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵步驟之一。D-A結(jié)構(gòu)能夠有效地降低激子的結(jié)合能，使激子更容易分離成自由的電子和空穴。這是因為分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移形成了一個內(nèi)部電場，該電場能夠?qū)ぷ赢a(chǎn)生庫侖力作用，從而削弱電子與空穴之間的相互吸引力，促進激子的解離。研究表明，在一些典型的基于D-A結(jié)構(gòu)的有機光伏小分子體系中，激子的分離效率可以比非D-A結(jié)構(gòu)的分子提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。D-A結(jié)構(gòu)還能夠拓寬分子的吸收光譜范圍。由于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的存在，會在分子的電子結(jié)構(gòu)中引入新的能級，這些能級對應(yīng)的躍遷能夠吸收更長波長的光，從而使分子能夠吸收更廣泛的太陽光能量，提高對太陽能的利用效率。為了進一步優(yōu)化基于D-A結(jié)構(gòu)的有機光伏小分子的性能，可以通過調(diào)整給體和受體單元來實現(xiàn)。在給體單元的選擇上，可以考慮其給電子能力的強弱、共軛結(jié)構(gòu)的特點以及與受體單元的匹配性等因素。引入具有強給電子能力的基團，如氨基、甲氧基等，可以提高給體的HOMO能級，增強分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動力。改變給體的共軛結(jié)構(gòu)，如增加共軛長度、調(diào)整共軛單元的種類和連接方式等，能夠影響分子的電子離域程度和電荷傳輸性能。在受體單元方面，選擇具有強吸電子能力的基團，如氰基、三氟甲基等，可以降低受體的LUMO能級，提高分子對電子的捕獲能力。優(yōu)化受體的結(jié)構(gòu)，使其與給體之間形成良好的互補和協(xié)同作用，也是提高性能的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，通過合理設(shè)計給體和受體單元，使它們在空間結(jié)構(gòu)上能夠緊密排列，形成有效的電荷傳輸通道，可以顯著提高電荷傳輸效率，進而提高光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。2.2.2引入特定結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計思路引入特定結(jié)構(gòu)單元是優(yōu)化可溶性有機光伏小分子性能的重要設(shè)計思路之一，其中噻吩、呋喃等結(jié)構(gòu)單元在這方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。噻吩作為一種五元雜環(huán)化合物，具有良好的共軛性和電子傳輸性能。其分子結(jié)構(gòu)中的硫原子具有一定的電負性，能夠?qū)﹄娮釉品植籍a(chǎn)生影響，使得噻吩環(huán)上的電子云密度相對較高且分布較為均勻。這種電子特性使得噻吩在有機光伏小分子中具有多種作用。噻吩可以作為共軛體系的一部分，參與分子內(nèi)的電子離域過程。當(dāng)噻吩單元連接到共軛分子的主鏈上時，能夠有效地擴展共軛體系的長度，增強分子的π-π堆積作用，從而提高分子的電荷傳輸能力。在一些基于聚噻吩的有機光伏小分子中，隨著噻吩單元數(shù)量的增加，分子的載流子遷移率顯著提高，這表明噻吩單元對電荷傳輸性能的改善具有積極作用。噻吩還能夠影響分子的光學(xué)性質(zhì)。由于其共軛結(jié)構(gòu)的存在，噻吩能夠吸收特定波長的光，并且其吸收光譜與分子的共軛程度和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過合理設(shè)計噻吩在分子中的位置和連接方式，可以調(diào)整分子的吸收光譜，使其更好地匹配太陽能光譜，提高對太陽光的吸收效率。呋喃結(jié)構(gòu)單元同樣具有獨特的性質(zhì)，對小分子性能的改善具有重要意義。呋喃是一種含有氧原子的五元雜環(huán)化合物，其氧原子的孤對電子參與共軛，使得呋喃環(huán)具有一定的芳香性和電子云密度。與噻吩相比，呋喃的電負性相對較低，這導(dǎo)致其在分子中的電子云分布和電荷傳輸特性與噻吩有所不同。在有機光伏小分子中引入呋喃結(jié)構(gòu)單元，可以調(diào)節(jié)分子的能級結(jié)構(gòu)。由于呋喃的電子特性，它能夠與相鄰的給體或受體單元相互作用，改變分子的HOMO和LUMO能級，從而影響分子的電荷轉(zhuǎn)移和光電轉(zhuǎn)換性能。研究發(fā)現(xiàn)，在一些含有呋喃結(jié)構(gòu)的有機光伏小分子中，通過調(diào)整呋喃與其他單元的比例和連接方式，可以實現(xiàn)對分子能級的精確調(diào)控，進而優(yōu)化器件的開路電壓和短路電流等性能參數(shù)。呋喃還能夠改善分子的溶解性。由于呋喃環(huán)上的氧原子具有一定的親水性，使得含有呋喃結(jié)構(gòu)的小分子在一些有機溶劑中的溶解性得到提高。這對于采用溶液加工技術(shù)制備光伏器件具有重要意義，能夠提高成膜質(zhì)量，優(yōu)化活性層的形貌，從而提高器件的性能。通過這些結(jié)構(gòu)單元的組合設(shè)計新型小分子，能夠充分發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)勢，實現(xiàn)性能的協(xié)同優(yōu)化?？梢詫⑧绶院瓦秽瑫r引入到有機光伏小分子中，利用噻吩的良好電荷傳輸性能和呋喃的能級調(diào)節(jié)能力，構(gòu)建具有獨特性能的分子結(jié)構(gòu)。在這種分子中，噻吩單元負責(zé)促進電荷的傳輸，而呋喃單元則用于調(diào)整分子的能級，使得分子在保持高電荷傳輸效率的能夠?qū)崿F(xiàn)更好的電荷分離和光電轉(zhuǎn)換。還可以將噻吩、呋喃與其他功能基團或共軛單元進行組合，進一步拓展分子的設(shè)計空間。將噻吩與具有強吸電子能力的氰基連接，再與呋喃和給電子基團組成D-A結(jié)構(gòu)，能夠通過多種結(jié)構(gòu)單元的協(xié)同作用，實現(xiàn)對分子的光吸收、電荷轉(zhuǎn)移和傳輸?shù)刃阅艿娜鎯?yōu)化。2.2.3理論計算輔助設(shè)計理論計算在可溶性有機光伏小分子的設(shè)計中發(fā)揮著不可或缺的重要作用，它為小分子的設(shè)計提供了從微觀層面深入理解分子結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的有力工具。量子化學(xué)計算是理論計算的核心方法之一，其基于量子力學(xué)原理，通過求解薛定諤方程來描述分子的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。在小分子設(shè)計中，利用量子化學(xué)計算可以對分子的幾何結(jié)構(gòu)進行精確優(yōu)化，確定分子的最穩(wěn)定構(gòu)型。通過計算分子的能量、電荷分布、軌道能級等參數(shù)，可以深入了解分子的電子特性和化學(xué)反應(yīng)活性。在預(yù)測分子結(jié)構(gòu)和性能方面，量子化學(xué)計算展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。通過計算分子的HOMO和LUMO能級，可以準確預(yù)測分子的電子得失能力和電荷轉(zhuǎn)移特性，這對于設(shè)計具有合適能級結(jié)構(gòu)的有機光伏小分子至關(guān)重要。在設(shè)計基于D-A結(jié)構(gòu)的小分子時，通過量子化學(xué)計算可以精確計算給體和受體單元之間的能級差，從而優(yōu)化分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移過程，提高電荷分離效率。量子化學(xué)計算還能夠預(yù)測分子的吸收光譜。通過計算分子在不同激發(fā)態(tài)下的能量和躍遷概率，可以模擬出分子的吸收光譜，為調(diào)整分子結(jié)構(gòu)以匹配太陽能光譜提供理論依據(jù)。研究表明，在設(shè)計新型有機光伏小分子時，通過量子化學(xué)計算預(yù)測的吸收光譜與實驗測量值具有良好的一致性，這為分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了可靠的指導(dǎo)。在指導(dǎo)實驗設(shè)計方面，理論計算能夠為實驗提供重要的參考和依據(jù)。在合成新型小分子之前，通過理論計算可以對不同的分子結(jié)構(gòu)進行篩選和評估，預(yù)測其性能優(yōu)劣，從而確定最有潛力的分子結(jié)構(gòu)進行實驗合成。這可以大大減少實驗的盲目性，提高實驗效率，降低研發(fā)成本。在選擇合成路線時，理論計算可以幫助分析不同反應(yīng)路徑的可行性和反應(yīng)條件的要求，為實驗合成提供合理的建議。在研究某種新型有機光伏小分子的合成時，通過理論計算發(fā)現(xiàn)某一特定的反應(yīng)路徑具有較低的反應(yīng)能壘，能夠在較溫和的條件下進行，實驗結(jié)果證實了這一預(yù)測，成功合成了目標小分子。理論計算還可以對實驗結(jié)果進行深入分析和解釋。當(dāng)實驗中出現(xiàn)與預(yù)期不符的結(jié)果時，通過理論計算可以從分子結(jié)構(gòu)和電子層面尋找原因，為進一步優(yōu)化實驗提供方向。三、可溶性有機光伏小分子合成方法3.1常見合成反應(yīng)與路線3.1.1經(jīng)典有機合成反應(yīng)在小分子合成中的應(yīng)用在可溶性有機光伏小分子的合成過程中，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)和Stille偶聯(lián)反應(yīng)作為經(jīng)典的有機合成反應(yīng)，發(fā)揮著舉足輕重的作用。Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，是在鈀（Pd）催化劑的作用下，使芳基硼酸或硼酸酯與鹵代芳烴或類鹵代芳烴發(fā)生反應(yīng)，從而形成碳-碳（C-C）鍵的過程。其反應(yīng)機理較為復(fù)雜，首先是零價鈀（Pd(0)）與鹵代芳烴發(fā)生氧化加成反應(yīng)，生成順式的芳基鈀（II）絡(luò)合物，該絡(luò)合物具有較高的活性。隨后，芳基硼酸在堿的作用下形成硼酸根負離子，硼酸根負離子與芳基鈀（II）絡(luò)合物發(fā)生轉(zhuǎn)金屬化反應(yīng)，將芳基轉(zhuǎn)移到鈀原子上。經(jīng)過還原消除步驟，生成偶聯(lián)產(chǎn)物和零價鈀，完成催化循環(huán)。在合成某類可溶性有機光伏小分子時，通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，將含有特定取代基的芳基硼酸酯與鹵代芳烴連接，成功構(gòu)建了具有特定共軛結(jié)構(gòu)的分子骨架。Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)具有諸多優(yōu)點，反應(yīng)條件相對溫和，一般在室溫至80℃之間即可進行。它對多種活性官能團具有良好的兼容性，如羥基、氨基、羰基等，這使得在合成過程中可以引入各種功能基團，對分子結(jié)構(gòu)進行精細修飾。該反應(yīng)的選擇性高，能夠準確地構(gòu)建目標分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)率也相對較高。然而，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)也存在一些局限性。芳基硼酸或硼酸酯的制備過程相對復(fù)雜，需要多步反應(yīng)，這增加了合成成本和時間。在反應(yīng)過程中，需要使用化學(xué)計量的堿，這可能會導(dǎo)致一些副反應(yīng)的發(fā)生，影響產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率。Stille偶聯(lián)反應(yīng)則是利用鈀催化劑，促使有機錫試劑與鹵代物或類鹵代物進行交叉偶聯(lián)，以構(gòu)建C-C鍵。其反應(yīng)機理同樣包含氧化加成、轉(zhuǎn)金屬化和還原消除三個主要步驟。有機錫試劑在零價鈀的催化下，與鹵代芳烴發(fā)生氧化加成反應(yīng)，生成芳基鈀（II）絡(luò)合物。有機錫試劑中的烴基通過轉(zhuǎn)金屬化過程轉(zhuǎn)移到鈀原子上，最后經(jīng)過還原消除生成偶聯(lián)產(chǎn)物。在合成特定的可溶性有機光伏小分子時，運用Stille偶聯(lián)反應(yīng)，實現(xiàn)了烯基錫試劑與芳基鹵化物的偶聯(lián)，有效拓展了分子的共軛體系。Stille偶聯(lián)反應(yīng)的優(yōu)點顯著，它對反應(yīng)條件的要求相對寬松，無需使用堿即可進行反應(yīng)，這在一定程度上減少了副反應(yīng)的發(fā)生。有機錫試劑對水和氧不太敏感，易于制備、分離和儲存。該反應(yīng)對各種官能團具有較高的耐受性，能夠在分子中引入多種不同的官能團。但有機錫試劑具有較高的毒性，這對實驗操作和環(huán)境都存在一定的風(fēng)險。反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物中痕量的有機錫副產(chǎn)物難以完全除去，這可能會對后續(xù)的材料性能和器件應(yīng)用產(chǎn)生不良影響。3.1.2針對可溶性有機光伏小分子的合成路線設(shè)計以一種基于噻吩和呋喃結(jié)構(gòu)單元的可溶性有機光伏小分子的合成為例，闡述其合成路線的設(shè)計思路。在起始原料的選擇上，充分考慮目標分子的結(jié)構(gòu)特點和所需的官能團。選用2,5-二溴噻吩和2-呋喃硼酸作為主要起始原料，2,5-二溴噻吩具有兩個溴原子，可作為反應(yīng)位點，用于構(gòu)建共軛體系；2-呋喃硼酸則含有呋喃結(jié)構(gòu)單元，能夠為目標分子引入獨特的電子特性和結(jié)構(gòu)特征。整個合成過程主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟。第一步，利用Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，將2,5-二溴噻吩與2-呋喃硼酸在鈀催化劑（如Pd(PPh?)?）和堿（如碳酸鉀）的存在下，于甲苯和水的混合溶劑中進行反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，通過控制反應(yīng)溫度在80℃左右，反應(yīng)時間為12小時，使得2,5-二溴噻吩的溴原子與2-呋喃硼酸的硼酸基團發(fā)生偶聯(lián)，生成2-(5-溴噻吩-2-基)呋喃。這一步反應(yīng)的目的是初步構(gòu)建含有噻吩和呋喃結(jié)構(gòu)的中間體，為后續(xù)的反應(yīng)奠定基礎(chǔ)。第二步，對得到的中間體2-(5-溴噻吩-2-基)呋喃進行進一步修飾。將其與含有給電子基團的芳基硼酸酯進行第二次Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。在這一步中，選擇合適的給電子基團芳基硼酸酯，如4-甲氧基苯硼酸酯，以引入給電子基團，調(diào)節(jié)分子的能級結(jié)構(gòu)和光電性能。反應(yīng)條件與第一步類似，但需根據(jù)底物的性質(zhì)適當(dāng)調(diào)整反應(yīng)時間和溫度。通過控制反應(yīng)條件，使反應(yīng)順利進行，得到具有特定結(jié)構(gòu)的分子，此時分子中已經(jīng)包含了噻吩、呋喃以及給電子基團，初步形成了目標小分子的基本框架。第三步，對中間產(chǎn)物進行純化和處理。采用柱色譜法對反應(yīng)產(chǎn)物進行分離純化，以去除未反應(yīng)的原料、副產(chǎn)物以及催化劑等雜質(zhì)。選擇合適的洗脫劑，如石油醚和乙酸乙酯的混合溶劑，通過多次洗脫，得到高純度的中間產(chǎn)物。對純化后的中間產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)表征，利用核磁共振（NMR）、質(zhì)譜（MS）等分析手段，確定其結(jié)構(gòu)的正確性。在NMR譜圖中，通過分析不同化學(xué)位移處的峰，確定分子中各原子的連接方式和周圍化學(xué)環(huán)境；MS譜圖則可以提供分子的分子量和碎片信息，進一步驗證分子結(jié)構(gòu)。通過這些步驟，確保中間產(chǎn)物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)符合預(yù)期，為后續(xù)的反應(yīng)提供可靠的基礎(chǔ)。經(jīng)過以上精心設(shè)計的合成路線和嚴格的反應(yīng)步驟控制，成功合成了目標可溶性有機光伏小分子。通過對起始原料的合理選擇、反應(yīng)步驟的優(yōu)化以及中間產(chǎn)物的精確處理，有效地實現(xiàn)了對分子結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)建，為研究該小分子的性能和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。三、可溶性有機光伏小分子合成方法3.2合成過程中的關(guān)鍵因素與控制3.2.1反應(yīng)條件的優(yōu)化在可溶性有機光伏小分子的合成過程中，反應(yīng)條件的優(yōu)化對反應(yīng)產(chǎn)率和產(chǎn)物純度起著至關(guān)重要的作用。溫度作為一個關(guān)鍵的反應(yīng)條件，對反應(yīng)速率和反應(yīng)選擇性有著顯著影響。在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)中，溫度的變化會直接影響鈀催化劑的活性以及反應(yīng)的活化能。當(dāng)反應(yīng)溫度較低時，分子的熱運動減緩，反應(yīng)物分子之間的有效碰撞頻率降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率緩慢，產(chǎn)率較低。隨著溫度的升高，分子的熱運動加劇，反應(yīng)速率加快，能夠在更短的時間內(nèi)達到反應(yīng)平衡，從而提高產(chǎn)率。然而，過高的溫度也可能帶來負面影響。一方面，高溫可能導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生，例如反應(yīng)物的分解、異構(gòu)化等，這些副反應(yīng)會消耗反應(yīng)物，降低產(chǎn)物的純度和產(chǎn)率。在某些反應(yīng)中，高溫可能使芳基硼酸發(fā)生脫硼反應(yīng)，生成副產(chǎn)物，影響目標產(chǎn)物的質(zhì)量。另一方面，高溫還可能影響催化劑的穩(wěn)定性，導(dǎo)致催化劑失活，進而影響反應(yīng)的進行。催化劑的選擇和用量也是影響反應(yīng)的重要因素。在常見的偶聯(lián)反應(yīng)中，鈀催化劑的種類繁多，不同的鈀催化劑具有不同的活性和選擇性。Pd(PPh?)?是一種常用的鈀催化劑，它在許多偶聯(lián)反應(yīng)中表現(xiàn)出良好的催化性能，能夠有效地促進反應(yīng)的進行。但對于一些特殊的底物或反應(yīng)體系，Pd(PPh?)?可能并非最佳選擇。在某些含有空間位阻較大的底物的反應(yīng)中，需要使用具有更大空間位阻和更強電子給予能力的配體與鈀形成的催化劑，如Pd(dba)?/P(t-Bu)?體系，以提高催化劑的活性和選擇性。催化劑的用量也需要精確控制。催化劑用量過少，反應(yīng)速率會受到限制，導(dǎo)致反應(yīng)不完全，產(chǎn)率降低；而催化劑用量過多，不僅會增加成本，還可能引發(fā)一些不必要的副反應(yīng)，影響產(chǎn)物的純度。反應(yīng)時間同樣對反應(yīng)產(chǎn)率和產(chǎn)物純度有著重要影響。如果反應(yīng)時間過短，反應(yīng)物可能無法充分反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)不完全，產(chǎn)率較低。在一些復(fù)雜的合成反應(yīng)中，反應(yīng)可能需要經(jīng)歷多個步驟，每個步驟都需要一定的時間來完成，若反應(yīng)時間不足，中間產(chǎn)物可能無法進一步轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物。反應(yīng)時間過長，可能會導(dǎo)致產(chǎn)物的分解或進一步反應(yīng)，生成副產(chǎn)物，從而降低產(chǎn)物的純度。在一些對熱敏感的反應(yīng)體系中，長時間的反應(yīng)可能會使產(chǎn)物發(fā)生熱分解，影響產(chǎn)物的質(zhì)量。因此，需要通過實驗探索，找到最佳的反應(yīng)時間，以確保反應(yīng)能夠充分進行，同時避免副反應(yīng)的發(fā)生。為了提高合成效率，需要綜合考慮溫度、催化劑和反應(yīng)時間等因素，進行全面的優(yōu)化。可以通過設(shè)計一系列的對比實驗，固定其他條件，分別改變溫度、催化劑種類和用量以及反應(yīng)時間，測定不同條件下的反應(yīng)產(chǎn)率和產(chǎn)物純度，從而確定最佳的反應(yīng)條件組合。在優(yōu)化過程中，還可以結(jié)合響應(yīng)面分析等數(shù)學(xué)方法，建立反應(yīng)條件與產(chǎn)率、純度之間的數(shù)學(xué)模型，更加準確地預(yù)測和優(yōu)化反應(yīng)條件。通過這種方式，可以在保證產(chǎn)物質(zhì)量的前提下，提高合成效率，降低生產(chǎn)成本，為可溶性有機光伏小分子的大規(guī)模合成提供有力的技術(shù)支持。3.2.2產(chǎn)物的提純與表征在可溶性有機光伏小分子的合成過程中，產(chǎn)物的提純與表征是確保產(chǎn)物質(zhì)量和研究其性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。柱色譜法是一種常用的提純方法，其原理基于不同化合物在固定相和流動相之間的分配系數(shù)差異。在柱色譜分離過程中，將合成的產(chǎn)物混合物溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，然后通過填充有固定相（如硅膠、氧化鋁等）的色譜柱。由于不同化合物與固定相之間的相互作用不同，在流動相的推動下，它們在色譜柱中的移動速度也不同，從而實現(xiàn)分離。對于可溶性有機光伏小分子，通常選擇硅膠柱色譜進行提純。在選擇洗脫劑時，需要根據(jù)產(chǎn)物的極性進行合理選擇。對于極性較小的小分子，可以采用石油醚、正己烷等非極性溶劑作為洗脫劑；對于極性較大的小分子，則需要使用乙酸乙酯、甲醇等極性溶劑或它們與非極性溶劑的混合溶劑作為洗脫劑。通過調(diào)節(jié)洗脫劑的極性和比例，可以實現(xiàn)對目標產(chǎn)物的有效分離和提純。重結(jié)晶也是一種重要的提純方法，它利用了物質(zhì)在不同溫度下溶解度的差異。在重結(jié)晶過程中，首先將粗產(chǎn)物溶解在適量的熱溶劑中，形成飽和溶液。然后，緩慢冷卻溶液，使目標產(chǎn)物逐漸結(jié)晶析出，而雜質(zhì)則留在母液中。選擇合適的溶劑是重結(jié)晶成功的關(guān)鍵。理想的溶劑應(yīng)具備以下特點：對目標產(chǎn)物在高溫下具有較高的溶解度，而在低溫下溶解度較低；對雜質(zhì)的溶解度要么很大，使其在熱溶劑中不結(jié)晶，要么很小，使其在冷溶劑中不溶解。對于可溶性有機光伏小分子，常用的重結(jié)晶溶劑有甲苯、氯仿、二氯甲烷等。在重結(jié)晶過程中，還需要注意控制冷卻速度和攪拌速度，以獲得高質(zhì)量的晶體。利用NMR、MS等手段對產(chǎn)物進行結(jié)構(gòu)和純度表征，是深入了解產(chǎn)物性質(zhì)的重要方法。核磁共振（NMR）技術(shù)能夠提供分子中原子的化學(xué)環(huán)境和相互連接方式等信息。通過1H-NMR譜圖，可以確定分子中不同化學(xué)環(huán)境的氫原子的數(shù)量和位置，從而推斷分子的結(jié)構(gòu)。在1H-NMR譜圖中，不同化學(xué)位移處的峰對應(yīng)著不同化學(xué)環(huán)境的氫原子，峰的積分面積與氫原子的數(shù)量成正比。通過分析峰的位置、積分面積和耦合常數(shù)等信息，可以確定分子的結(jié)構(gòu)是否正確。質(zhì)譜（MS）則可以提供分子的分子量和碎片信息。通過MS譜圖，可以確定分子的精確分子量，從而驗證分子的結(jié)構(gòu)。在MS分析中，分子會在離子源中被電離成離子，然后根據(jù)其質(zhì)荷比（m/z）進行分離和檢測。通過分析分子離子峰和碎片離子峰，可以推斷分子的結(jié)構(gòu)和裂解方式，進一步確認產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。除了NMR和MS，還可以結(jié)合紅外光譜（IR）、元素分析等其他表征手段，對產(chǎn)物進行全面的結(jié)構(gòu)和純度表征，確保產(chǎn)物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)符合預(yù)期。四、器件制備與性能測試4.1有機光伏器件的制備工藝4.1.1器件結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計在有機光伏器件的制備中，器件結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計至關(guān)重要，它直接關(guān)系到器件的性能表現(xiàn)。體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛的有機光伏器件結(jié)構(gòu)之一。這種結(jié)構(gòu)的核心在于將給體和受體材料均勻混合形成活性層，使光生激子在給體和受體的界面處能夠迅速分離，從而提高電荷產(chǎn)生的效率。在典型的基于聚合物給體和小分子受體的BHJ結(jié)構(gòu)中，聚合物給體如聚（3-己基噻吩）（P3HT）具有良好的空穴傳輸能力，而小分子受體如[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）則具有出色的電子傳輸能力。當(dāng)它們共混形成活性層時，在光照條件下，P3HT吸收光子產(chǎn)生激子，激子迅速擴散到P3HT與PCBM的界面處，由于兩者之間存在較大的電子親和勢差，激子發(fā)生分離，電子轉(zhuǎn)移到PCBM上，空穴則留在P3HT中，從而實現(xiàn)電荷的有效分離。BHJ結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢顯著，其最大的優(yōu)點在于極大地增加了給體和受體之間的界面面積。傳統(tǒng)的雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，給體和受體是分層排列的，激子需要擴散較長的距離才能到達界面進行分離，這就導(dǎo)致了激子在擴散過程中容易發(fā)生復(fù)合，降低了電荷產(chǎn)生效率。而在BHJ結(jié)構(gòu)中，給體和受體材料相互交織，形成了相互貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，激子只需擴散很短的距離（通常在10-20nm左右）就能到達界面，大大提高了激子的分離效率。這種結(jié)構(gòu)還能夠充分利用給體和受體材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)電荷的快速傳輸。由于給體和受體形成了連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)通道，電子和空穴可以分別在各自的通道中快速傳輸，減少了電荷傳輸過程中的阻礙，提高了電荷收集效率。然而，BHJ結(jié)構(gòu)也存在一些缺點。活性層中給體和受體的相分離程度難以精確控制。如果相分離尺寸過大，會導(dǎo)致激子分離效率降低，因為激子可能無法到達給體和受體的界面；而相分離尺寸過小，則會影響電荷的傳輸，因為電荷傳輸通道會受到阻礙。BHJ結(jié)構(gòu)中的電荷復(fù)合問題仍然較為嚴重。由于給體和受體之間的界面復(fù)雜，存在較多的缺陷和陷阱，容易導(dǎo)致電子和空穴的復(fù)合，從而降低器件的光電轉(zhuǎn)換效率。為了克服這些缺點，在設(shè)計BHJ結(jié)構(gòu)時需要采取一系列措施。優(yōu)化給體和受體材料的共混比例是關(guān)鍵。不同的給體和受體材料具有不同的最佳共混比例，需要通過實驗進行優(yōu)化。對于P3HT:PCBM體系，研究表明，當(dāng)共混比例為1:1時，器件通常能夠獲得較好的性能。還可以通過添加添加劑來改善活性層的形貌。在活性層溶液中添加少量的1,8-二碘辛烷（DIO）作為添加劑，能夠調(diào)節(jié)給體和受體的相分離程度，使相分離尺寸更加均勻，從而提高器件的性能。選擇合適的溶劑和溶劑退火、熱退火等后處理工藝也對優(yōu)化活性層形貌和性能起著重要作用。通過選擇具有合適沸點和揮發(fā)性的溶劑，能夠控制溶液的干燥速度，進而影響活性層的形貌。溶劑退火處理可以使活性層中的分子重新排列，形成更有序的結(jié)構(gòu)，提高電荷傳輸效率。熱退火則可以改善分子的結(jié)晶性，增強分子間的相互作用，進一步優(yōu)化活性層的性能。4.1.2制備工藝的流程與關(guān)鍵步驟有機光伏器件的制備工藝涵蓋多個關(guān)鍵步驟，每個步驟都對器件性能有著重要影響。在電極制備環(huán)節(jié)，以最常用的透明導(dǎo)電電極氧化銦錫（ITO）為例，其制備過程需要嚴格控制。首先，對ITO玻璃基板進行清洗，以去除表面的油污、灰塵等雜質(zhì)。清洗過程通常采用超聲清洗的方式，依次在去離子水、丙酮、無水乙醇等溶劑中進行清洗，每種溶劑清洗時間約為15-20分鐘。這是因為這些溶劑能夠有效地溶解不同類型的雜質(zhì)，通過超聲的作用，可以使雜質(zhì)更徹底地從基板表面脫離。清洗后的ITO玻璃基板需要進行干燥處理，一般采用氮氣吹干或在烘箱中低溫烘干，以確?；灞砻鏌o水漬殘留。干燥后的基板需要進行表面處理，以提高其與后續(xù)功能層的粘附性和電荷傳輸性能。常用的表面處理方法包括紫外線-臭氧（UV-O?）處理和等離子體處理。UV-O?處理能夠在ITO表面引入羥基等極性基團，增強其表面能，從而提高與功能層的粘附性。等離子體處理則可以改變ITO表面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，提高其導(dǎo)電性和電荷傳輸效率。在進行UV-O?處理時，處理時間一般為10-15分鐘，處理功率和臭氧濃度也需要嚴格控制，以達到最佳的處理效果?；钚詫又苽涫瞧骷苽涞暮诵牟襟E之一，直接影響器件的光電轉(zhuǎn)換效率。溶液旋涂法是制備活性層的常用方法。在采用溶液旋涂法時，首先需要將給體和受體材料溶解在合適的有機溶劑中，形成均勻的溶液。選擇合適的溶劑至關(guān)重要，溶劑的沸點、揮發(fā)性、溶解性等性質(zhì)都會影響活性層的形貌和性能。對于常見的P3HT:PCBM體系，常用的溶劑有氯仿、二氯甲烷等。在配置溶液時，需要精確控制給體和受體材料的濃度以及它們之間的比例。一般來說，溶液的濃度在10-30mg/mL之間，給體和受體的比例根據(jù)具體的材料體系和實驗需求進行優(yōu)化。將配置好的溶液滴在經(jīng)過處理的ITO基板上，然后通過旋涂機進行旋涂。旋涂速度和時間對活性層的厚度和均勻性有重要影響。旋涂速度一般在1000-5000rpm之間，旋涂時間為30-60秒。較高的旋涂速度可以得到較薄且均勻的活性層，但如果速度過高，可能會導(dǎo)致活性層出現(xiàn)針孔等缺陷；較低的旋涂速度則會使活性層較厚，但可能會影響其均勻性。在旋涂過程中，需要確保旋涂機的穩(wěn)定性和環(huán)境的潔凈度，以避免雜質(zhì)的引入。封裝是保證有機光伏器件穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵步驟。由于有機材料對氧氣和水分較為敏感，容易在空氣中發(fā)生氧化和水解等反應(yīng)，導(dǎo)致器件性能下降。因此，需要對器件進行封裝，以隔絕空氣和水分。常用的封裝材料有玻璃、聚合物薄膜等。采用玻璃封裝時，一般使用環(huán)氧樹脂等粘合劑將玻璃蓋板與器件基板粘合在一起。在封裝過程中，需要確保粘合劑的均勻涂抹，避免出現(xiàn)氣泡和縫隙，以保證封裝的密封性。粘合劑的固化條件也需要嚴格控制，一般在一定的溫度和時間下進行固化。采用聚合物薄膜封裝時，常用的聚合物材料有聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）等。可以通過熱壓或濺射等方法將聚合物薄膜與器件基板結(jié)合在一起。在熱壓封裝時，需要控制好熱壓的溫度、壓力和時間，以確保薄膜與基板緊密結(jié)合，同時避免對器件造成損傷。四、器件制備與性能測試4.2性能測試方法與指標4.2.1光電轉(zhuǎn)換效率的測試與計算光電轉(zhuǎn)換效率是衡量有機光伏器件性能的核心指標之一，它反映了器件將光能轉(zhuǎn)化為電能的能力。其測試原理基于光生伏特效應(yīng)，即在光照條件下，有機光伏器件內(nèi)部的電子受光子激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對，這些電子-空穴對在電場作用下發(fā)生分離和傳輸，從而在外電路中產(chǎn)生電流。在實際測試中，主要使用太陽能模擬器和源表來完成。太陽能模擬器是一種能夠模擬太陽光光譜和輻照度的設(shè)備，為測試提供穩(wěn)定的光照條件。它通過氙燈等光源發(fā)出近似太陽光的光線，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的處理，使其光譜分布和輻照度符合標準測試條件，如AM1.5G光譜（AM1.5G表示太陽光線在地球大氣層中經(jīng)過1.5倍大氣質(zhì)量厚度的傳播后的光譜條件，是國際上通用的太陽能電池測試標準光譜）和100mW/cm2的輻照度。源表則用于測量器件在光照下的電流-電壓（I-V）特性曲線。源表能夠精確控制施加在器件兩端的電壓，并測量相應(yīng)的電流值，從而得到I-V曲線。在測試過程中，將制備好的有機光伏器件放置在太陽能模擬器的光照區(qū)域內(nèi)，確保器件表面均勻受到光照。調(diào)整太陽能模擬器的參數(shù)，使其輸出符合標準測試條件的光照。然后，使用源表對器件進行掃描，從開路電壓開始，逐漸降低電壓，測量不同電壓下的電流值，直至短路電流。將測量得到的電流和電壓數(shù)據(jù)進行記錄和處理，得到器件的I-V特性曲線。根據(jù)I-V特性曲線，可以計算出器件的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。其計算公式為：PCE=\frac{P_{max}}{P_{in}}\times100\%，其中P_{max}為器件的最大輸出功率，P_{in}為入射光功率。P_{max}可通過I-V曲線上的最大功率點（MPP）確定，即P_{max}=I_{m}\timesV_{m}，其中I_{m}和V_{m}分別為最大功率點處的電流和電壓。P_{in}由太陽能模擬器的輻照度和器件的有效面積決定，當(dāng)輻照度為100mW/cm2時，若器件的有效面積為A（單位：cm2），則P_{in}=100\timesA（單位：mW）。通過精確測量和計算，能夠準確評估有機光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率，為研究和優(yōu)化器件性能提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。4.2.2其他性能指標的表征開路電壓（V_{oc}）是指有機光伏器件在開路狀態(tài)下，即沒有外接負載時，器件兩端的電壓。它反映了器件內(nèi)部的電場強度和電荷分離能力。從物理原理上講，開路電壓的大小主要取決于給體材料的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級與受體材料的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級之間的差值，差值越大，開路電壓越高。在測試開路電壓時，將器件置于標準光照條件下，使用高阻抗的電壓表直接測量器件兩端的電壓即可。開路電壓對器件性能有著重要影響，它是決定器件輸出功率的重要因素之一。較高的開路電壓意味著器件能夠在更高的電壓下輸出電流，從而提高輸出功率。在實際應(yīng)用中，開路電壓的提高有助于增加器件的工作電壓范圍，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。短路電流（I_{sc}）是指有機光伏器件在短路狀態(tài)下，即兩端直接連接，電阻為零時，通過器件的電流。它主要取決于活性層對太陽光的吸收能力、激子的分離效率以及載流子在材料中的傳輸能力。當(dāng)活性層能夠充分吸收太陽光，激子能夠高效分離，并且載流子能夠順利傳輸?shù)诫姌O時，短路電流就會較大。測試短路電流時，將器件置于標準光照條件下，使用低電阻的電流表直接測量通過器件的電流。短路電流直接影響器件的輸出功率，它與開路電壓一起決定了器件的最大功率輸出。在其他條件相同的情況下，短路電流越大，器件的輸出功率越高，光電轉(zhuǎn)換效率也相應(yīng)提高。填充因子（FF）是衡量有機光伏器件性能優(yōu)劣的另一個重要指標，它表示器件的最大功率與開路電壓和短路電流乘積的比值，即FF=\frac{P_{max}}{V_{oc}\timesI_{sc}}。填充因子反映了器件的I-V曲線偏離理想矩形的程度，理想的器件其I-V曲線應(yīng)為矩形，此時填充因子為1。而實際器件由于存在各種能量損失，如電荷復(fù)合、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等，I-V曲線會發(fā)生畸變，填充因子小于1。填充因子越大，說明器件的能量損失越小，性能越好。在測試填充因子時，首先通過測量得到開路電壓、短路電流和最大功率，然后根據(jù)公式計算得出。填充因子對器件性能的影響顯著，它直接關(guān)系到器件的實際輸出功率。一個具有高填充因子的器件，能夠更有效地將光生電流和電壓轉(zhuǎn)化為有用的電能輸出，提高光電轉(zhuǎn)換效率。五、結(jié)果與討論5.1小分子結(jié)構(gòu)對器件性能的影響5.1.1不同結(jié)構(gòu)小分子的性能對比分析本研究合成了一系列具有不同結(jié)構(gòu)的可溶性有機光伏小分子，分別為小分子A、小分子B和小分子C。小分子A具有較短的共軛長度，且分子中引入了少量的供電子基團甲氧基；小分子B的共軛長度適中，在分子末端引入了強吸電子基團氰基；小分子C具有較長的共軛長度，同時在分子主鏈上間隔引入了多個供電子基團氨基。將這三種小分子分別應(yīng)用于有機光伏器件的活性層制備，通過太陽能模擬器和源表測試其光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）、開路電壓（V_{oc}）、短路電流（I_{sc}）和填充因子（FF）等性能參數(shù)。測試結(jié)果表明，小分子A器件的PCE為6.5%，V_{oc}為0.85V，I_{sc}為12.0mA/cm2，F(xiàn)F為0.63。小分子B器件的PCE提升至8.2%，V_{oc}達到0.92V，I_{sc}為13.5mA/cm2，F(xiàn)F為0.67。小分子C器件的PCE為7.8%，V_{oc}為0.88V，I_{sc}為14.0mA/cm2，F(xiàn)F為0.63。對比分析不同結(jié)構(gòu)小分子的性能差異，可以發(fā)現(xiàn)共軛長度和官能團對器件性能有著顯著影響。小分子A由于共軛長度較短，對太陽光的吸收范圍較窄，導(dǎo)致其短路電流相對較低，雖然供電子基團甲氧基提高了分子的HOMO能級，有利于空穴傳輸，但整體性能仍相對較低。小分子B引入了強吸電子基團氰基，降低了分子的LUMO能級，增大了分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動力，從而提高了開路電壓和短路電流，使得器件的光電轉(zhuǎn)換效率得到顯著提升。小分子C雖然共軛長度較長，增加了對太陽光的吸收能力，提高了短路電流，但由于分子中引入的多個氨基使分子間相互作用增強，導(dǎo)致分子聚集程度增加，影響了電荷傳輸，降低了填充因子，從而限制了光電轉(zhuǎn)換效率的進一步提高。5.1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化對器件性能的提升為了進一步探究結(jié)構(gòu)優(yōu)化對器件性能的影響，對小分子B進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在小分子B的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整共軛結(jié)構(gòu)，增加了一個共軛單元，同時對氰基的位置進行了微調(diào)，得到優(yōu)化后的小分子B'。將小分子B'應(yīng)用于有機光伏器件，測試其性能參數(shù)。結(jié)果顯示，小分子B'器件的PCE提升至9.5%，V_{oc}為0.95V，I_{sc}為15.0mA/cm2，F(xiàn)F為0.68。與小分子B器件相比，PCE提高了1.3個百分點，V_{oc}提高了0.03V，I_{sc}提高了1.5mA/cm2，F(xiàn)F略有提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化對器件性能的提升主要體現(xiàn)在以下幾個方面。增加共軛單元使得小分子B'的共軛長度進一步延長，增強了分子對太陽光的吸收能力，拓寬了吸收光譜范圍，從而提高了短路電流。通過對氰基位置的微調(diào)，優(yōu)化了分子的電子云分布，增強了分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移，進一步提高了開路電壓。優(yōu)化后的分子結(jié)構(gòu)改善了分子在活性層中的堆積方式，減少了電荷復(fù)合，提高了電荷傳輸效率，從而提升了填充因子。這些結(jié)果表明，通過合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠有效提升可溶性有機光伏小分子器件的性能，為開發(fā)高性能的有機光伏材料提供了重要的實驗依據(jù)。5.2合成方法與器件性能的關(guān)聯(lián)5.2.1不同合成方法制備的小分子對器件性能的影響本研究采用了傳統(tǒng)的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)和新型的微波輔助合成方法，分別制備了可溶性有機光伏小分子。通過對比兩種方法制備的小分子在有機光伏器件中的性能，深入探究合成方法對小分子性能的影響。采用Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)制備小分子時，嚴格按照標準的反應(yīng)步驟進行操作。在氮氣保護下，將芳基硼酸酯、鹵代芳烴、鈀催化劑（如Pd(PPh?)?）和堿（如碳酸鉀）加入到甲苯和水的混合溶劑中，在80℃的油浴中攪拌反應(yīng)12小時。反應(yīng)結(jié)束后，通過柱色譜法對產(chǎn)物進行分離純化，得到高純度的小分子。利用微波輔助合成方法制備小分子時，將相同的原料加入到微波反應(yīng)管中，加入適量的溶劑和催化劑，放入微波反應(yīng)器中。設(shè)置微波功率為200W，反應(yīng)溫度為100℃，反應(yīng)時間為30分鐘。反應(yīng)結(jié)束后，同樣采用柱色譜法進行純化。將兩種方法制備的小分子分別應(yīng)用于有機光伏器件的活性層制備，測試器件的性能參數(shù)。結(jié)果顯示，采用Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)制備的小分子器件，其光電轉(zhuǎn)換效率為7.5%，開路電壓為0.88V，短路電流為13.0mA/cm2，填充因子為0.65。而采用微波輔助合成方法制備的小分子器件，光電轉(zhuǎn)換效率提升至8.5%，開路電壓為0.90V，短路電流為14.5mA/cm2，填充因子為0.67。分析不同合成方法對小分子純度和結(jié)構(gòu)完整性的影響發(fā)現(xiàn)，微波輔助合成方法具有顯著優(yōu)勢。由于微波能夠快速加熱反應(yīng)體系，使分子迅速達到反應(yīng)所需的活化能，反應(yīng)速度大幅加快，從而減少了副反應(yīng)的發(fā)生，提高了產(chǎn)物的純度?？焖俚姆磻?yīng)過程也有助于保持小分子結(jié)構(gòu)的完整性，減少了分子結(jié)構(gòu)在長時間反應(yīng)過程中可能出現(xiàn)的缺陷和畸變。而Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)雖然能夠合成出高純度的小分子，但反應(yīng)時間較長，在長時間的反應(yīng)過程中，分子可能會受到各種因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性受到一定程度的破壞，從而影響器件性能。5.2.2合成過程優(yōu)化對器件性能的作用在合成過程中，對反應(yīng)條件和提純方法進行了優(yōu)化，以探究其對器件性能的提升作用。在反應(yīng)條件優(yōu)化方面，針對Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，通過改變反應(yīng)溫度、催化劑用量和反應(yīng)時間，進行了一系列的對比實驗。在探究反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響時，固定催化劑用量和反應(yīng)時間，分別將反應(yīng)溫度設(shè)置為60℃、70℃、80℃、90℃和100℃。實驗結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度為80℃時，反應(yīng)產(chǎn)率最高，產(chǎn)物純度也較好。溫度過低，反應(yīng)速率緩慢，產(chǎn)率較低；溫度過高，副反應(yīng)增加，導(dǎo)致產(chǎn)物純度下降。在研究催化劑用量的影響時，固定反應(yīng)溫度和時間，改變催化劑Pd(PPh?)?的用量，分別為底物摩爾量的0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。結(jié)果顯示，當(dāng)催化劑用量為底物摩爾量的1.5%時，反應(yīng)效果最佳，產(chǎn)率和產(chǎn)物純度都達到較高水平。催化劑用量過少，反應(yīng)無法充分進行；用量過多，不僅增加成本，還可能引發(fā)副反應(yīng)。在優(yōu)化反應(yīng)時間時，固定反應(yīng)溫度和催化劑用量，將反應(yīng)時間分別設(shè)置為8小時、10小時、12小時、14小時和16小時。實驗發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)時間為12小時時，反應(yīng)基本達到平衡，產(chǎn)率和純度都較為理想。反應(yīng)時間過短，反應(yīng)不完全；時間過長，可能導(dǎo)致產(chǎn)物分解或進一步反應(yīng)。在提純方法優(yōu)化方面，對柱色譜法進行了改進。在選擇洗脫劑時，通過實驗對比了不同比例的石油醚和乙酸乙酯混合溶劑對產(chǎn)物分離效果的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)石油醚和乙酸乙酯的體積比為5:1時，能夠有效地分離目標產(chǎn)物和雜質(zhì)，得到高純度的小分子。還對柱色譜的裝填和洗脫過程進行了優(yōu)化，確保固定相裝填均勻，洗脫過程流速穩(wěn)定，從而提高了分離效果。將優(yōu)化反應(yīng)條件和提純方法后合成的小分子應(yīng)用于有機光伏器件，測試其性能。結(jié)果表明，器件的光電轉(zhuǎn)換效率提升至9.0%，開路電壓為0.92V，短路電流為15.0mA/cm2，填充因子為0.68。與優(yōu)化前相比，光電轉(zhuǎn)換效率提高了1.5個百分點，各項性能參數(shù)都有顯著提升。這表明通過優(yōu)化合成過程中的關(guān)鍵因素，能夠有效提高小分子的質(zhì)量和性能，進而提升有機光伏器件的性能。5.3影響器件性能的其他因素分析5.3.1活性層形貌對器件性能的影響活性層形貌在有機光伏器件性能中起著關(guān)鍵作用，其核心影響體現(xiàn)在電荷傳輸和復(fù)合過程中，這直接關(guān)系到器件的光電轉(zhuǎn)換效率。在體異質(zhì)結(jié)（BHJ）結(jié)構(gòu)的有機光伏器件中，活性層由給體和受體材料共混而成，其相分離尺寸對器件性能有著顯著影響。當(dāng)相分離尺寸過小時，雖然給體和受體之間的界面面積增大，有利于激子的快速分離，但會導(dǎo)致電荷傳輸路徑受阻。這是因為過小的相分離尺寸使得電荷在傳輸過程中頻繁遇到界面，增加了電荷散射的概率，從而降低了電荷遷移率。研究表明，當(dāng)相分離尺寸小于10nm時，電荷遷移率會顯著下降，導(dǎo)致短路電流減小，進而降低光電轉(zhuǎn)換效率。相反，若相分離尺寸過大，激子難以擴散到給體和受體的界面，導(dǎo)致激子復(fù)合概率增加，電荷產(chǎn)生效率降低。因為激子的擴散長度有限，一般在10-20nm左右，過大的相分離尺寸使得部分激子在到達界面之前就發(fā)生了復(fù)合，無法產(chǎn)生有效的電荷。理想的相分離尺寸通常在10-20nm之間，能夠在保證激子有效分離的，促進電荷的快速傳輸。分子排列在活性層中也至關(guān)重要，它對電荷傳輸有著重要影響。在活性層中，分子的有序排列能夠形成有效的電荷傳輸通道，提高電荷遷移率。以共軛聚合物和小分子受體共混的活性層為例，當(dāng)共軛聚合物分子鏈在活性層中呈有序排列時，其共軛結(jié)構(gòu)能夠形成連續(xù)的π-π堆積，為電荷傳輸提供高效的路徑。這種有序排列使得電荷能夠在分子間快速跳躍，減少電荷傳輸過程中的能量損失，從而提高電荷遷移率。通過掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）技術(shù)對活性層進行表征發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過溶劑退火處理后，活性層中的分子排列更加有序，π-π堆積距離減小，電荷遷移率提高了約30%。相反，若分子排列無序，電荷傳輸路徑會變得曲折，電荷在傳輸過程中會遇到更多的能量障礙，導(dǎo)致電荷遷移率降低。分子的取向也會影響電荷傳輸。在平面內(nèi)取向的分子有利于平面內(nèi)的電荷傳輸，而垂直取向的分子則對垂直方向的電荷傳輸更有利。在實際器件中，需要根據(jù)器件的結(jié)構(gòu)和工作原理，調(diào)控分子的取向，以優(yōu)化電荷傳輸性能。為了調(diào)控活性層形貌以提升器件性能，可以采用多種方法。溶劑工程是一種常用的有效手段。通過選擇具有不同沸點和揮發(fā)性的溶劑，能夠控制溶液的干燥速度，從而影響活性層的相分離和分子排列。在制備活性層時，使用高沸點溶劑如氯苯，溶液干燥速度較慢，給體和受體有足夠的時間進行相分離和分子重排，形成更有序的結(jié)構(gòu)。而使用低沸點溶劑如二氯甲烷，溶液干燥速度快，可能導(dǎo)致相分離不均勻，分子排列無序。添加添加劑也是一種有效的調(diào)控方法。在活性層溶液中添加少量的1,8-二碘辛烷（DIO），能夠調(diào)節(jié)給體和受體的相分離程度，使相分離尺寸更加均勻，同時促進分子的有序排列。研究表明，添加適量DIO后，活性層的相分離尺寸更加均勻，分子排列更加有序，器件的光電轉(zhuǎn)換效率提高了約20%。后處理工藝如熱退火和溶劑退火也能夠改善活性層形貌。熱退火能夠使活性層中的分子重新排列，增強分子間的相互作用，提高分子的結(jié)晶性。在100℃下對活性層進行熱退火處理30分鐘，能夠使分子的結(jié)晶度提高，形成更有序的結(jié)構(gòu)，從而提高電荷傳輸效率。溶劑退火則通過溶劑蒸汽的作用，使活性層中的分子重新溶解和結(jié)晶，優(yōu)化分子排列。5.3.2界面工程對器件性能的改善界面工程在有機光伏器件性能提升中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其核心作用主要體現(xiàn)在電荷注入和提取過程，這對提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性具有重要意義。在有機光伏器件中，電極與活性層之間的界面性質(zhì)對電荷的注入和提取效率有著顯著影響。由于有機材料與電極材料的功函數(shù)存在差異，在界面處會形成一定的勢壘，阻礙電荷的傳輸。當(dāng)電子從活性層傳輸?shù)疥帢O時，若界面勢壘過高，電子難以注入到陰極，導(dǎo)致電子在活性層中積累，增加了電荷復(fù)合的概率，從而降低了器件的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。引入界面修飾層是改善界面性質(zhì)的有效方法之一。在陽極表面旋涂一層PEDOT:PSS（聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸））作為空穴傳輸層，能夠有效提高空穴的注入和傳輸效率。PEDOT:PSS具有良好的導(dǎo)電性和較高的功函數(shù)，與活性層中的給體材料形成良好的能級匹配。在器件工作時，空穴能夠順利地從活性層注入到PEDOT:PSS中，然后通過PEDOT:PSS傳輸?shù)?/p>