共轭聚合物光伏材料的侧链工程

Polymer solar cells (PSCs) possess the advantages of simple device structure, low cost, light weight and the possibility to fabricate into flexible and semitransparent devices, therefore, PSCs attracted great attention in recent years. At present, the researches of PSCs are mianly focused on increasing power conversion efficiency (PCE). The key ponts for increasing PCE is the design and synthesis of high efficiency conjugated polymer donor and fullerene derivative acceptor materials. In this project, we will focus on high efficiency conjugated polymer donor materials, by side chain engineering to further improve photovoltaic performance of the narrow bandgap conjugated polymer donor materials. We will synthesize narrow bandgap D-A copolymers by carefully selecting suitable electron-donating (D) and electron-withdrawing (A) units. Then, we will further broaden absorption, down-shift HOMO energy level. enhancing interchain interaction to increase hole mobility of the narrow bandgap conjugated polymers by side chain engineering including conjugated side chains. In addition,we will try to increase diaelectric constant of the conjugated polymers by attaching strong polar side chains. The purpose of this project is to get high efficiency conjugated polymer donor materials, and to realize 10% PCE of the PSCs based on the polymers as donor.

聚合物太阳电池具有器件结构简单、成本低、重量轻以及可以制备成柔性和半透明器件等突出优点，近年来成为国内外研究热点。当前聚合物太阳电池研究的焦点是提高能量转换效率，提高效率的关键是设计和合成高效共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体光伏材料。本申请项目将聚焦高效聚合物给体光伏材料，通过支链工程改善窄带隙共轭聚合物的光伏性能。我们将首先选择合适的给体（D）单元和受体（A）单元通过D-A共聚获得窄带隙D-A共聚物，然后通过使用包括共轭支链的支链工程进一步拓宽吸收、降低HOMO能级、增强聚合物链间相互作用提高空穴迁移率。同时，通过使用强极性支链提高聚合物光伏材料的介电常数。最终设计和合成出高效共轭聚合物给体光伏材料，使单层聚合物太阳电池的能量转换效率超过10%。

本项目主要开展了非富勒烯聚合物太阳能电池共轭聚合物给体和窄带隙小分子受体光伏材料的侧链工程研究。在给体光伏材料方面，主要是对基于噻吩取代苯并二噻吩（BDTT）给体单元和氟取代苯并三氮唑（FBTA）受体单元的宽带隙D-A共聚物（J-系列聚合物）的噻吩共轭侧链上的侧链工程（取代基效应）进行了系统研究，通过使用烷硫基、硅烷基以及二氟取代逐步降低聚合物的HOMO能级，从而逐步提高了以这些聚合物为给体、窄带隙n-型有机小分子ITIC为受体的聚合物太阳能电池的开路电压和能量转换效率（PCE），使PCE从不到10%逐渐提高到11.6%。还开展了ITIC受体光伏材料的侧链工程研究，研究了ITIC苯基取代基上烷基位置对其电子迁移率和光伏性能的影响，将烷基位置从对位移至间位，电子迁移率显著提高，光伏性能也有明显提高，使基于烷硫基取代的J61给体的效率提高到超过11.7%， 使基于硅烷基取代的J71给体的效率提高到超过12%。此外，还设计合成了窄带隙强吸收的n-型共轭聚合物受体光伏材料，以及与小分子受体匹配的有机半导体小分子给体光伏材料，使全有机小分子光伏电池的效率超过了10%。还开展了近红外吸收的有机小分子受体光伏材料的研究。共发表研究论文33篇，包括Nature Communication 1篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇, Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Adv. Mater. 4篇、Energy Environ. Sci.2篇，Adv. Energy Mater. 3篇，Chem. Mater. 2篇和J. Mater. Chem. A 3篇等。其中1篇论文(Adv. Mater. 2016, 28, 1884)入选2016年中国百篇最具影响的国际学术论文,有4篇论文已被SCI引用超过100次。这些研究成果在国内外同行中产生了重要影响。