卟啉类电子受体材料的设计、合成及其在非富勒烯太阳能电池中的应用

Porphyrin-based organic semiconductors as electron donor have been successfully applied into organic solar cells, but their application as electron acceptor has been somehow ignored. Porphyrin has strong electron-donating ability from its large conjugation systems, providing the advantage to realize good charge transport and broad absorption spectra. In order to design porphyrin-based electron acceptors, two key issues should be overcome: how to realize electron transporting property in electron-rich porphyrin; how to prevent the self-aggregation tendency in large conjugated porphyrin. In this project we intend to design novel porphyrin-based electron acceptors, including: (1) Linear, star-shaped and fused electron acceptors containing single or multi-porphyrin units will be developed by using strong electron-deficient units in order to realize broad absorption, low-lying energy levels, high electorn mobility and low aggregation tendency. (2) The effect of metal ion in porphyrin on the device performance of non-fullerene solar cells will be studied; a series of porphyrin-based electron acceptors via z-axis modification will be developed. (3) We will systematically study the relationship between chemical structures of porphyrin electron acceptors, micro-phase separation and device performance of non-fullerene solar cells. This project will enable porphyrin as an important unit to design electron acceptors and extend its application in opto-electronics.

卟啉类有机半导体材料作为电子给体已经成功应用到有机太阳能电池中，但是作为电子受体材料的研究极少受到研究者的关注。卟啉为富电子的大环共轭体系，在实现高电荷传输以及宽吸收光谱方面具有独特优势。如何设计分子结构，使富电子的卟啉具有电子传输能力，同时抑制大环卟啉单元的高自聚集倾向，成为设计卟啉类电子受体材料的关键科学问题。本项目以设计新型卟啉类电子受体材料为研究目标，研究内容有：（1）引入吸电子基元，设计线形、星型与稠环结构的单卟啉和多卟啉类电子受体，实现宽吸收、低能级、高电子迁移率和低聚集的性能。（2）探究卟啉中心金属离子对卟啉电子受体材料光电性能的影响；开发轴向结构修饰的卟啉电子受体。（3）研究卟啉类电子受体材料的化学结构、形貌以及非富勒烯太阳能电池器件性能的关系。本项目的实施将使卟啉成为设计电子受体的重要分子基元，拓展卟啉在有机光电领域的应用。

卟啉为大共轭体系，具有给电子能力强、近红外吸收以及可修饰位点多等特点。构建以卟啉为核心的共轭材料，挖掘其在光电领域中的特性，对发展新型有机光电材料具有重要的意义。本项目围绕卟啉核开展系统深入的分子设计与制备工作，制备了系列的卟啉及其衍生物核的共轭材料，包括小分子卟啉类共轭材料、卟啉类共轭高分子、BODIPY类共轭高分子材料，实现了宽的吸收光谱、能级可调以及优异的光电转换性能。这种卟啉为核的核壳结构分子设计思路，进一步用于其他共轭材料的设计中，从而获得具有给体主链-受体侧链的双缆共轭高分子材料，以及钛氧簇为核的有机-无机杂化材料。这些材料应用到有机太阳能电池中，获得了高于17%的光电转换效率。.本项目的研究结果丰富了卟啉以及衍生物的分子种类，为设计合成卟啉分子提供了借鉴，并且以此为基础，发展了系列核壳类共轭材料，拓展了有机共轭材料的种类，为实现高性能的有机光电器件提供了新的研究思路。