基于反芳香性稠环的新型共轭聚合物结构与光伏性能关系研究

This project will design and synthesize a series of conjugated polymers based on antiaromatic pentalene-containing fused rings and will systematically study the structure-photovoltaic property relationship of the polymers. Usually antiaromatic compounds own a broad photoresponse range and 3D aromaticity in theory, and they can form tight face-to-face π-π stacking. Introducing antiaromatic units into conjugated polymer donors is expected to improve their absorption spectra and hole mobility, which are benificial to enhancing the short-circuit current density and power conversion efficiency of photovoltaic devices. Hence this project designs four types of antiaromatic compounds based on pentalene, and develops a new synthetic route of pentalenodithiophene derivatives. Three kinds of polymers based on the antiaromatic compounds are designed: i) the polymer backbone consists of antiaromatic unit; ii) the polymer backbone consists of alternating antiaromatic and aromatic units; iii) the polymer backbone consists of one type of antiaromatic unit and two types of aromatic units. Through systematically investigating the optoelectronic properties of the three kinds of polymers, summarize the effects of antiaromatic units on the photovoltaic properties of the polymers and elucidate the structure-photovoltaic property relationship, providing a new strategy for designing high-performance photovoltaic polymers.

本申请项目拟设计与合成一系列基于反芳香性戊塔烯稠环的新型共轭聚合物，系统研究该类型聚合物结构与光伏性能之间的关系。反芳香性分子通常具有宽的光响应范围、能形成面对面的紧密的π-π堆积、理论上具有三维芳香性等特点，将其引入到共轭聚合物光伏材料中，有望改善聚合物的吸收光谱、提高空穴迁移率，从而提高光伏器件的短路电流密度和能量转换效率。出于以上考虑，本申请项目设计了四种基于戊塔烯的反芳香性稠环化合物，并发展了一条合成戊塔烯并二噻吩类反芳香性分子的新路线。基于这四种反芳香性稠环，本申请项目设计了三类聚合物：主链全由反芳香性稠环组成、主链由反芳香性稠环和芳香性单元交替组成以及主链由一种反芳香性稠环和两种芳香性单元组成。通过系统研究这三类聚合物的光电性能，总结反芳香性戊塔烯稠环单元对聚合物光伏性能的影响，阐明其结构与光伏性能的关系，为设计高性能的聚合物光伏材料提供一条新思路。

近十年来，非富勒烯受体材料取得了显著的发展，成为推动有机太阳能电池能量转换效率提升的最重要因素之一。尤其是以ITIC和Y6为代表的窄带隙小分子非富勒烯受体已经成为有机光伏领域的明星材料。因此，发展与窄带隙小分子非富勒烯受体材料相匹配的高性能聚合物给体材料就显得极为重要。本项目主要完成了以下三个方面的研究内容。一是研究了延伸稠环聚合物共轭体系对吸收光谱和光伏性能的影响，包括用苯环、噻吩、噻唑延伸聚合物的侧链共轭体系和用噻吩延伸聚合物的主链共轭体系。用苯环延伸聚合物的侧链共轭体系，可改善聚合物的吸收光谱，显著提高光伏器件的短路电流密度，从而提高能量转换效率；用富电子的噻吩延伸聚合物的侧链共轭体系不利于获得高的开路电压；用缺电子的噻唑延伸聚合物的侧链共轭体系则有助于提高器件的开路电压。通过用噻吩构建“V”字形的稠环单元来延伸聚合物主链的共轭体系，可显著增大聚合物的光学带隙，使吸收光谱明显蓝移。通过该部分的工作，总结出了使用不同的共轭单元延伸聚合物侧链和主链共轭体系对光伏性能的影响规律，提炼出了一系列设计高性能有机太阳能电池光伏材料的新方法。二是首次系统研究了聚合物主链“曲折度”与前线轨道能级（HOMO和LUMO）、光学带隙和光伏性能之间的关系。增大聚合物主链的“曲折度”，可在降低HOMO能级的同时升高LUMO能级，显著地增大聚合物的光学带隙。此部分工作对完善有机电子学理论有重要意义，为设计高性能的宽带系稠环共轭聚合物提供了一条新思路。三是研究了二氧化钛溶胶在量子点敏化太阳能电池中的应用。用二氧化钛溶胶改性光阳极可全面提高器件的开路电压、短路电流密度、填充因子和能量转换效率以及稳定性，为设计高性能的量子点敏化太阳能电池提供了一种新方法。. 在本项目的资助下，我们取得了一系列较好的原创性成果，为以后的研究奠定了良好的基础。