三元组分N型共轭聚合物的合成及器件性能研究

In recent years, organic solar cells based on polymer donor and polymer acceptor have attracted tremendous scientific interest and achieved rapid progress. The major advantages of these novel acceptors are enhanced light absorption in the visible and infrared region, more flexible chemical and electronic properties, as well as stable morphology under elevated temperatures, compared to fullerene derivatives counterparts. Meanwhile, all-polymer blend exhibit excellent mechanical and thermal stability relative to polymer-fullerene ones, which makes them as promising candidates for application in portable charging devices, the building integrated photovoltaic (BIPV), and wearable devices. However, the current power conversion efficiency (PCE) is not sufficient for large-scale application. In order to further improve the solar cell device performance, it would be highly desirable to design and synthesis novel N type conjugated materials with narrow band gap, high electron mobility and excellent stability. In this project, we plan to further develop and N-type ternary polymers with novel molecular structures. We will seek to achieve highly efficient and stable all-polymer organic solar cells by combining these new ternary polymers. We hope that these results obtained in this project will provide an exciting step towards the realization of low-cost, high-efficiency organic solar cells for use in large-scale and printed devices.

基于全聚合物的有机光伏器件近年来取得了突破性进展。聚合物电子受体材料可以很好的弥补传统富勒烯受体材料在可见和近红外区域的吸光系数较低，化学结构修饰困难，相区热稳定性差等缺点。同时聚合物受体材料具有良好的机械性能和形貌稳定性。全聚合物太阳电池在便携式充电、光伏一体化建筑和新型可穿戴电子器件等方面具有良好的应用前景。但目前其光电转换效率仍无法满足产业应用要求，还需开发具有窄带隙、高迁移率和高稳定性的聚合物受体材料，优化器件结构并进行深入系统的研究。本项目将以开发新型三元结构N型共轭聚合物材料为切入点，以制备高性能全聚合物电池器件研究为重点，结合先进的表征方法，发展高稳定性电池器件的结构和工艺路线，揭示材料结构和器件性能的构效关系，以及影响电池稳定性的关键因素，实现全聚合物电池光电转换效率和稳定性的全面提高。力争在发展新型材料结构、器件制备工艺等问题上有所突破，取得关键技术和成果。

本项目围绕三元组分光伏共轭聚合物的合成及器件性能研究，从新型聚合物的设计制备、性能测试以及在新型光伏器件中的应用开展深入系统的研究。具体研究总结如下。通过经典的Stille偶联聚合反应，对聚合物单体的组分进行优化和化学设计，合成制备材料组分和光电性能灵活可调的新型P型和N型共轭聚合物材料。基于以上思路，我们设计制备的新型聚合物在全聚合物太阳能电池展现出良好的性能，实现了单节10%的全聚合物太阳能的电池，并实现了热稳定性1000 小时的优异稳定性，达到文献报道的最优值之一。利用三元组分聚合物光学性能可调的优势，发展了窄带隙的三元D1-A-D2-A共轭聚合物 PBFSF，首次实现了最高光电转换效率的吸收光谱互补型全聚合物叠层器件。同时我们进一步的拓宽了共轭聚合物在新型太阳能电池领域的研究应用：(1). 利用聚合物可低温溶液加工的特性，同时分子结构灵活可调，我们发展了基于共轭聚合物的非掺杂空穴材料，实现了16%的高效纳米晶太阳能电池的同时，推动了纳米晶电子大面积器件的制备，简化工艺流程，并确定目前文献领先的效率指标；(2). 利用聚合物化学结构灵活调控的优势，将共轭聚合物作为高效的钝化剂应用于新型钙钛薄膜太阳能电池，共轭聚合物的加入可以有效钝化甲胺铅碘钙钛矿薄膜，同时本身的疏水性质又可以起到保护钙钛矿薄膜的左右，最终实现了光电效率接近23%的太阳能电池器件，在低湿度的空气环境中稳定性也得到了显著的提升。在Nat.Commun., Joule, Adv. Mater., Angew. Chem., Adv. Funct. Mater.等高水平期刊发表SCI论文32篇，申请中国发明专利5项，授权2项。综上，本项目以制备高质量新型三元共轭聚合物材料为基础，以发展高性能功能化的有机聚合物太阳能电池为出发点，借助有机半导体材料辅助钙钛矿和纳米晶薄膜的缺陷态钝化，发展基于低温溶液制备高效率、稳定的新型太阳能电池，为推动新型太阳能电池的发展打下基础。