氟化策略在有机非富勒烯受体设计合成中的应用研究

In the last two decades, fullerene derivatives are always the best choice of electron-accepting materials in organic solar cells owing to its unparalleled electron mobility, ideal energy levels, and isotropic charge-transporting ability. In recent years, non-fullerene acceptors are becoming a powerful challenger with their low cost and soaring performance. But still the highly efficient non-fullerene acceptors are quite limited and with little flexibility in molecular engineering. In this project, we present a novel strategy for design and synthesis of non-fullerene acceptors in which some new fluorinated building block with different functional groups are assembled to form various highly-fluorinated conjugated backbones. With the attachments of alky chains and end-capping groups, these conjugated molecules have both solution-processibility and shallowed LUMO energy level which make them a new kind of electron-accepting materials. The resulting materials will be used to construct organic solar cells to investigate their photovoltaic properties. The data of solar cell devices will then lead to further demonstration of the structure-property relationship in series of electron acceptors. This project aims not only to broaden the pathway of designing high-performance non-fullerene acceptor, but also to enrich and integrate the disciplinary system of organic optoelectronic materials and promote interdisciplinary integration of chemistry, materials and energy.

富勒烯衍生物二十多年来一直是有机太阳能电池中电子受体材料的不二之选；而近几年，非富勒烯受体依靠自身低廉的成本和飙升的效率大有取代前者的趋势。本项目针对目前高效非富勒烯受体种类稀缺且结构单一的问题，以氟化为核心手段，以氟化携带不同官能团的合成砌块并加以组合得到整体高度氟化的共轭骨架为设计方案，系统性地开发出兼具良好溶解性和合适“最低未占分子轨道（LUMO）”能级的新型共轭有机电子受体分子，并将此类材料用于构建有机太阳能电池器件。本项目旨在突破目前设计上的桎梏，开发出一条构建高效非富勒烯受体材料更灵活多变的途径，并通过器件测试结果深入探讨此类新型材料的构性关系，在充实和完整有机光电材料学科体系的同时，也进一步促进化学、材料和能源等学科的交叉融合。

项目背景：本项目旨在通过设计合成具有氟化结构的寡聚噻吩有机半导体材料并用于光伏器件及相关测试，开发出一条构建高效非富勒烯电子受体分子更灵活多变的途径。..主要研究内容：根据申请书中的设计和由研究数据反馈所进行的路线修改，主要研究内容可分为三部分：1、具有高度氟化结构的寡聚噻吩电子受体的合成与光伏性能研究；2、部分氟代和氯代的寡聚噻吩电子给体的合成与光伏性能研究；3、其他一些高性能的给-受体分子的设计合成与光伏性能研究。..重要结果：1、在寡聚噻吩有机电子受体部分，我们合成了两个高度氟代的噻吩受体分子（D5T6F-M和D7T8F-M）并以聚合物PTB7-Th作为给体测试了两者的光电转换效率（4.5%和1.8%）。随后，按照申请书中所述，我们通过改变封端类型、碳链长度、给体材料等途径试图进一步提升此类受体材料的效率，但均告失败；2、受到受体部分研究的启发，我们将氟代噻吩单元引入了寡聚噻吩给体分子的设计。我们首先考察了在基于五联噻吩结构的给体分子中，氟原子取代位置对性能的影响，发现氟原子取代基居中时，给体分子的效率（9.36%）相对于未氟代的参比分子（8.03%）有着最大提升。之后我们将取代卤素的种类扩展至氯代，合成了基于氯代七联噻吩结构的给体分子2Cl7T，并取得了11.45%的高效率；3、此外，我们还通过封端修饰、结构简化、不对称化等设计思路合成了其他若干种高效的新型给受体光伏材料。..关键数据及其科学意义：通过本项目的研究，我们主要取得了两个关键数据与结论：1、通过氟化，常见的给体类分子寡聚噻吩能成功转变成受体分子，并用于光伏器件的制备，但此类分子的进一步性能优化较为困难，且与目前大多数常见给体分子的匹配性不佳；2、通过中心噻吩单元的氟带或氯代，寡聚噻吩类给体分子的效率在非富勒烯受体体系中的效率有着显著的提升，基于氯代七联噻吩结构的给体分子2Cl7T取得了11.45%的高效率，这是目前性能最好的寡聚/聚噻吩类有机光伏给体材料，为高性能、低成本类给体材料的设计研发提供了新的思路。