具有强D-A相互作用的低成本高性能聚噻吩衍生物给体材料的设计与研究

The industrial applications of organic solar cells (OSCs) need to solve the problems of efficiency-cost-stability. With the development of non-fullerene acceptors, OSCs have achieved great progresses with the efficiencies exceeding 13%. However, such high efficiencies are obtained with high-cost materials, which is not beneficial for the future applications. Therefore, this project plans to use widely available thiophene or benzene derivatives as the electron-donating units, and use thiophene, bithiophene or benzene derivatives containing fluorine, ester or pyrazine groups as the electron-withdrawing units, to construct a series of low-cost high-performance polymer donor materials. Besides, noncovalent interactions will be utilized to simplify the synthetic routes and ensure molecular backbone planarity and strong D-A intramolecular interactions. Then, relationships between molecular structures of polymers and materials properties will be carefully studied. After pairing with non-fullerene acceptors and optimizing the blend morphology to achieve nanoscaled phase separation and bicontinuous interpenetrating networks, low-cost high-performance OSCs will be fabricated with the target efficiencies over 10%, thus promoting the practical applications of OSCs.

有机太阳电池的产业化应用需要解决效率-成本-稳定性三方面的问题，随着非富勒烯受体的发展，有机太阳电池的效率已经快速突破了13%。不过，目前的高效率主要基于高成本给受体材料，不利于往后的产业化应用。本项目拟使用容易获取的噻吩或苯环衍生物作为给电子单元，使用含氟原子、酯基或吡嗪等吸电子基团的噻吩、并噻吩或苯环衍生物作为吸电子单元，借助非共价键相互作用来简化合成，并保证分子骨架平面性和分子内有效的D-A相互作用，设计合成一系列低成本的聚合物给体材料，研究聚合物给体材料分子结构与材料性质之间的关联，并与非富勒烯受体材料进行筛选匹配，通过纳米级相分离互穿网络结构形貌的优化，实现效率超过10%的低成本有机太阳电池，从而推动有机太阳电池的产业化发展。

材料开发和器件工程是促进有机太阳电池发展与效率提升的两大关键因素。在本项目的支持下，我们完成了给受体之间的多维度构效关系的研究，揭示了分子结构-形貌特征-宏观参数-器件性能之间的关联性；其二，我们推出了非对称分子设计语言，实现了有机太阳电池能损的有效抑制；其三，我们开发了深能级的苯并二噻吩类的给体材料和D-A1-A2型的聚噻吩类给体材料，揭示了卤代、能级调控和分子异构对光伏性能的影响。在器件工程上，我们着重研究了对称-对称受体类和对称-非对称受体类三元体系，推出了三元逐步沉积制膜法。此外，在低驱动力体系和三元体系中，进行了相应的机理研究。最终，通过受体开发，我们实现了最高17.56%的效率；通过三元策略，我们实现了最高18.8%的效率；通过给体设计，我们实现了最高15.06%的效率，特别是，基于简单的聚噻吩类给体材料的器件，仍旧可以实现超过12%的效率，这对于有机太阳电池实现效率和成本的平衡，具有重要意义。该项目工作内容，有助于推动有机太阳电池实现效率、成本、稳定性和功能性的有效平衡，进而走向产业化发展。