低HOMO能级苯并二噻吩类聚合物材料的合成与光伏应用

在近几年的聚合物光伏材料研究中，通过给-吸电子单元共聚得到的窄带隙材料，由于吸光范围宽而备受关注。但窄带隙材料的带隙变窄主要是由聚合物材料HOMO能级升高来实现，这使光伏器件的开路电压会降低，最终影响了光电转化效率的提高。本项目拟引入支链共轭的苯并二噻吩给体单元，利用它较低HOMO能级与窄带隙单元共聚，在扩大吸光范围的同时，能保持甚至降低材料HOMO能级，最终获得高开路电压的窄带隙光伏新材料。具体内容包括：新型支链共轭苯并二噻吩给体单元的设计合成，不同数目噻吩、稠噻吩与缺电子基形成窄带隙吸电子受体单元的设计合成及表征；考察噻吩、稠噻吩数量与吸光范围以及分子HOMO能级的综合影响，以此来探索低HOMO能级、窄带隙宽吸收的聚合物材料的实现途径。在保证材料较低HOMO能级的同时，能最大程度的利用窄带隙单元的吸光范围,这对提高聚合物太阳能电池开路电压和转化效率具有非常重要的理论与实践意义。

通过本项目的研究，在以苯并二噻吩单元为核心单元的窄带隙聚合物的构筑体系中，系统的考察了聚合物能级与吸收光谱的关系，并设计合成了一系列苯并二噻吩类窄带隙光伏聚合物。通过综合平衡能级与带隙的关系，筛选出既具有较低HOMO能级又具有较宽吸收范围的聚合物分子。这些聚合物分子的突出特点就是在主链中引入二维共轭（2-D）侧链，全面提高光伏器件的开路电压，短路电流，填充因子以及最终获得了约7%的光电转化效率。在此基础上，我们还首次开发出苯并二噻吩的衍生物，在保证有效的光电传输同时可以极大的提高分子量并保持良好的溶解度。此外，在光伏聚合物器件优化的过程中，采用共混膜用醇溶性溶剂处理的办法提高了负极界面上负电子材料的富集和电子的有效收集，为器件效率的进一步提高提供了更为简单、有效的后处理方法。