平面稠环大分子电子传输材料的设计及在钙钛矿太阳能电池中的应用

In the field of perovskite solar cell, the development of organic electron-transporting materials has lagged behind that of organic hole-transporting materials. Relative to fullerene-based electron-transporting materials, high-performance non-fullerene electron-transporting materials remain very rare, which is one of bottlenecks and challenging issues in this research field. This project will design and create novel planar fused-ring electron-transporting macromolecules with good solution processability, low LUMO and HOMO energy levels, high electron mobility, good miscibility with perovskite active layer, and efficient inhibition of water vapor infiltration. We will fabricate high-efficiency, improved-stability perovskite solar cells using these electron-transporting materials. We will explore fabrication of high-efficiency, large-area, flexible perovskite solar cells. We will also investigate structure-property relationships of these planar fused-ring electron-transporting macromolecules, which will provide rational guide for design of new electron-transporting materials.

在钙钛矿太阳能电池中，相对于有机空穴传输材料，有机电子传输材料的发展相对滞后；相对于富勒烯材料，非富勒烯电子传输材料的发展更加缓慢。高性能的有机电子传输材料的严重缺乏是制约钙钛矿太阳能电池这一领域发展的瓶颈之一，是亟待解决的关键科学问题之一。本项目围绕这一关键科学问题和瓶颈问题，拟设计创造可溶液加工、低LUMO和HOMO能级、高电子迁移率、与钙钛矿层浸润性好、有效抑制水汽渗入的平面稠环大分子电子传输材料新体系，构筑高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能电池，探索制备高效大面积柔性器件，研究大分子化学结构、聚集态结构、电子态结构与电子传输和光伏性能之间的关系，为平面稠环大分子电子传输材料的设计提供理论指导。

在钙钛矿太阳能电池中，相对于有机空穴传输材料，有机电子传输材料的发展相对滞后；相对于富勒烯材料，非富勒烯电子传输材料的发展更加缓慢。高性能的有机电子传输材料的严重缺乏是制约钙钛矿太阳能电池这一领域发展的瓶颈之一，是亟待解决的关键科学问题之一。本项目围绕这一关键科学问题和瓶颈问题，开展了如下创新性工作：1）设计并合成了一系列平面稠环大分子n-型半导体材料；2）提出了稠环电子受体-钙钛矿杂化太阳能电池的概念；3）将平面稠环大分子用作电子传输层、界面修饰层或活性层，构筑了高性能的钙钛矿太阳能电池和稠环电子受体-钙钛矿杂化太阳能电池；4）研究了平面稠环大分子材料分子结构和光伏性能的关系。.项目执行期间，以通讯作者在高水平期刊上发表了13篇研究论文，包括Acc. Chem. Res. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 1篇、Adv. Mater. 2篇、Energy Environ. Sci. 1篇、Adv. Energy Mater. 1篇。申请中国发明专利1项。科学出版社出版专著1本。培养博士毕业生6名。.我们创建了以明星分子ITIC为代表的稠环电子受体体系，并率先用于钙钛矿太阳能电池领域。我们的原创性和先驱性工作引起了国内外同行的广泛关注和跟进，国内外10多家公司已在商业销售我们发明的稠环电子受体，全球50多个研究组使用稠环电子受体制备高性能钙钛矿太阳能电池，效率超过21%，证明了稠环电子受体具有广泛的适用性。.圆满完成了项目的研究计划，实现了项目的预期目标。