基于内酰胺稠环受体的高效聚合物太阳能电池的制备

Organic Solar cells (OSCs) possess the advantages of light weight, flexibility and lost cost etc. But the photocurrent conversion efficiency should be improved further before potential commercialization. To solve the issue that the low charge carrier mobility in OSCs limited the efficiency by charge recombination, a novel type of fused aromatic lactam acceptors were designed. This kind of acceptors are rigid and symmetric, which help enhance the rigidity and symmetry of according polymers. The backbones of acceptors could be changed to obtain different energy levels; and various heteroatoms or side chains could be introduced to tune the energy levels further and change the way of interchain interactions. The packing strength or ordering could be improved by taking advantage of dipole-dipole interaction, hydrogen bonding interaction or π-π interaction imposed by new fused lactam acceptors. The direction of π-π stacking could also be adjusted to be vertical to the substrate by tuning side chains of acceptors, which is beneficial for the charge carrier transport and collection, resulting in reduced charge recombination. Overall, this project will investigate systematically on the relationship between polymer structures and their conformation, packing mode, charge carrier transport properties, bulk-heterojunction morphologies and photocurrent conversion properties, and also explore possible ways of structural improvement.

有机太阳能电池具有轻便、可折叠、理论成本低等特点。但要实现产业化，需进一步提高其光电转换效率。针对现有的有机太阳能电池载流子迁移率低，导致载流子复合限制了其效率的问题，本项目设计了一类新型内酰胺稠环受体。这类受体具有刚性、对称的结构，可以增强聚合物主链的刚性和对称性。通过调控受体的骨架结构，可以调控其能级；而引入各种类型的杂原子或侧链基团，则可以进一步微调其能级并改变相应聚合物的分子间作用方式。通过利用新型受体的稠环结构以及分子间较强的偶极-偶极相互作用、氢键作用和π-π相互作用等，聚合物的堆积强度和有序性有望增强；而通过调节受体的侧链结构，可以控制π-π堆积方向为垂直基底方向，有利于载流子的传输和收集，减少载流子复合几率。本项目将系统研究基于这类新型受体的聚合物结构与其构象、堆积方式 、载流子传输性能、本体异质结形貌以及光电转换性能之间的关系，并探索可能的结构改进方式。

此项目主要目的在于开发新型内酰胺稠环分子和相应电子供体和电子受体体系，考查其结构性能关系并获得高效的光电转化性能。主要取得了以下有科学意义或应用前景的研究进展：.1、开发了合成噻吩异靛蓝（TIID）类似物的新方法。通过先构建酰胺键，然后C-H键活化偶联，得到了目标分子TIID。随后与IDTT供体单元共聚，得到的聚合物PIDTT-TIID具备较高的空穴迁移率，达到0.17 cm2V-1s-1。这类合成新方法有望扩展噻吩异靛蓝的结构丰富程度。.2、开发了内酰胺稠环单元TVTDA，其LUMO能级为-3.20 eV，显著高于其同分异构体TIID（LUMO = -3.49 eV），表明其吸电子能力较弱。与苯并二噻吩（BDT）共聚制备了宽带隙聚合物，能隙约为1.80 eV，有望用于制备高效厚膜太阳能电池；.3、开发了带偶极的内酰胺稠环单元TVTDA-A，其LUMO能级为-3.44 eV，与TIID的LUMO能级相近。以此制备了小分子电子受体，有望用作高效内酰胺类非富勒烯材料；.4、开发了基于含氧梯形模块IDTP的电子供体体系，研究了相应聚合物的结构性能关系，揭示了稠环分子平面性的重要性；通过比较四个聚合物稠环单元扩环程度以及硒吩取代效应，揭示了聚合物的刚度和平面性是影响吸光系数的关键因素，并提供了有效的分子设计手段;.5、开发了热稳定的电子受体小分子材料，得到了高的开路电压1.02 V和低的能量损失0.59 eV，效率为8.3%；考察了稠环程度对非富勒烯材料性能的影响，发现弱稠环体系效率为8.7%略高于稠环体系，电压高达1.04 V。这些工作为基于稠环的电子受体分子设计提供了新的视角。