基于多环大π共轭聚合物的设计、合成与光伏性能研究

Polymer solar cells (PSCs) have attracted considerable attention in recent years due to their potential for low cost, lightweight, and the roll-to-roll process for making flexible large area devices. In this project, we design and synthesize the series of D-A (donor-acceptor) conjugated polymers based on the multiring and large π conjugated polymers, big ring conjugated polymers with Ullazine unit, and terpolymers with D-A1-D-A2 structure, respectively. Meanwhile, the chemical structures of the electron donor and acceptor units which are used to build these D-A conjugated polymers will be also modified. The broad absorption spectrum, narrow band gap, high charge mobility, optimal microphase separation state and good photovoltaic performances could be achieved by adjusting finely the chemical structures of the conjugated polymers. The relationship between the chemical structures of D-A copolymres containing the multiring and big π systems and their photophysical, electrochemical and photovoltaic properties will be investigated in detail. It is expected that our results can provid the theoretic and experimental guidelines for high-performance polymer solar cells.

聚合物太阳能电池由于具有价廉、质轻、可丝网印刷制备大面积柔性器件等优点，近年来受到科学界的极大重视。本项目拟设计合成新型多环大π结构的D-A型共轭聚合物、含Ullazine大π共轭聚合物和含D-A1-D-A2结构三元共轭聚合物，并对共轭聚合物中电子给体和受体基元进行化学结构修饰；通过优化共轭聚合物的分子结构，拓宽吸收光谱范围，调节前线分子轨道能级，改善电荷传输性能和相分离形态，从而提高共轭聚合物的光伏性能。通过研究多环大π共轭聚合物的结构与其光物理性质、电化学性质及光伏性能的关系，期望能够为获得高能量转换效率的聚合物太阳能电池提供理论和实验依据。

本项目设计合成了28种共轭聚合物电子给体材料，20种多环大π小分子及共轭聚合物电子受体材料和9种染料敏化剂，基于本项目课题组合成的聚合物给体材料、多环小分子受体材料及界面改性材料制备的聚合物太阳能电池分别获得了7.92%，10.93%和10.06%的最高能量转换效率，超过了该计划预期实现能量转换效率7-10%的目标。到本项目结题日止，已在国内外SCI期刊发表研究论文25篇，申报专利2件（其中授权1件），2位博士生和10位硕士生已获得学位。. 本项目取得如下主要研究结果：1、设计合成了11类共28种共轭聚合物电子给体材料，系统地研究了这些共轭聚合物电子给体材料的光物理性能、电化学性能和光伏性能。基于聚合物PDFBC-DPP作为给体材料，PC71BM作为受体材料，制备的聚合物太阳能电池器件获得了7.92％光电转化效率。基于含F噻吩及硫烷基噻吩与含F的苯并噻二唑的交替共轭聚合物PSDTffBT-DFDT作为电子给体材料，与电子受体PC71BM共混制备的聚合物太阳能电池获得了最高7.50%的能量转换效率。2、设计合成了8种高迁移率的多环大π共轭聚合物和4种含卟啉的共轭聚合物，分别获得了高达1.43 cm2/V s的空穴迁移率以及5.11%的聚合物太阳能电池光电转换效率。3、设计合成了4种多环大π小分子和3种共轭聚合物电子受体材料，研究了它们的光物理、电化学和光伏性能。基于多环大π小分子B-4TPDI与聚合物给体材料PTB7-Th制得的二元非富勒烯聚合物太阳能电池获得了7.71%的能量转换效率；将B-4TPDI作为第二受体，与非富勒烯受体ITIC及聚合物给体PBDB-T组成的三元体系PBDB-T/ITIC/B-4PDI获得了10.93%的能量转换效率。4、制备了一类新型非共轭的交联聚合物PEIE-DIO，将它作为PTB7-Th:PC71BM的反向太阳能电池器件的电子传输层，通过对器件进行优化， 获得了10.06%的光电转换效率，且当电子传输层的厚度达到50 nm时，其电池的光电转换效率仍有8.88%，这一研究结果为发展在厚膜条件下实现卷对卷印刷加工工艺制备聚合物太阳能电池器件提供了高效可行的材料。5、设计合成了9种有机染料敏化剂，获得了最高7.90%的能量转换效率，基于这一研究结果申报了中国发明专利并获授权。