新型碳氧桥梯形共轭分子的设计合成及其在有机太阳电池中的应用

Recent years, donor and acceptor materials based on carbon-bridged ladder-type conjugated building blocks have shown extraordinary performance in organic solar cells. The power conversion efficiency has exceeded 12%. However, the medium electron-donating strength of the carbon-bridged ladder-type units is unfavorable for making strong light-harvesting photovoltaic materials. We propose using “carbon-oxygen (CO) bridge” to replace “carbon (C) bridge” to develop a new type of strong electron-donating units. By conjugation with the pi-electrons, the oxygen lone pair electrons can greatly enhance the electron-donating strength of the unit. The inserted oxygen atoms also expand the molecular plane, facilitating the intermolecular pi-pi stacking. As a result, materials based on so called “CO-bridged ladder-type units” will possess promising light-harvesting and charge-transporting properties. However, synthesis methods for CO-bridged ladder-type conjugated molecules are rather limited. Therefore, the research of this proposal will be carried out in following sequence: (1) development of new synthesis methods for CO-bridged ladder-type conjugated molecules; (2) design and synthesis of novel CO-bridged ladder-type units; (3) design and synthesis of novel donor and acceptor materials using CO-bridged ladder-type units; (4) development of high-performance organic solar cells based on CO-bridged ladder-type donor and acceptor materials. It will be a fruitful research that, on the one hand, the knowledge of novel ladder-type conjugated molecules will be expanded, and, on the other hand, highly efficient donor and acceptor materials will be developed, pushing the power conversion efficiency of organic solar cells forward.

近年来，以碳桥梯形共轭分子为构筑单元的给、受体材料在有机太阳电池中性能优异，相关电池效率突破12%。但碳桥梯形单元中等强度给电子能力不利于材料吸光性能进一步提高。本项目提出用“碳氧桥”替代“碳桥”制备一系列新型强给电子单元，一方面通过氧原子孤对电子参与共轭，大幅提高单元的给电子能力，另一方面通过氧原子拓展共轭平面，促进分子间pi-pi堆积，因此基于这类单元的材料将拥有优良的光吸收和载流子传输性能。由于目前碳氧桥梯形共轭分子合成方法十分有限，本项目拟从以下几方面依次展开：（1）碳氧桥梯形共轭分子的新合成方法；（2）新型碳氧桥梯形单元的设计合成；（3）基于碳氧桥梯形单元的新型给、受体材料的设计合成；（4）基于新型给、受体材料制备高效有机太阳电池。通过本项目，一方面拓宽我们对于新型梯形共轭单元的认知，另一方面有望开发出一批应用于有机太阳电池的高性能给、受体材料，推动有机太阳电池效率的进一步突破。

在国家自然科学基金（21772030）的资助下，围绕碳氧桥梯形稠环共轭分子的合成方法、结构设计及其在有机光伏材料的构筑方面开展了系列研究，同时在应用于非富勒烯电池的高效共聚物给体材料方面开展了研究，具体如下： .1. 通过发展“分子内脱甲醇成环”、“去甲基化-酯交换策略”等新的合成方法实现了一系列多环碳氧桥梯形稠环单元的合成，并用其作为核心单元构筑ADA型的非富勒烯受体，包括五环、六环、七环、八环、十环单元及其相应非富勒烯受体，其中基于八环单元的非富勒烯受体COi8DFIC使单结有机太阳电池效率首次突破14%，叠层电池效率首次突破17%，是目前非富勒烯受体中的明星材料之一。.2. 在基于稠环受体单元的共聚物给体和超宽带隙给体方面进行了大量的工作，开发了诸如D18，D18-Cl，D18-B，D18-Cl-B，L1，L1-S，D16，W1等明星给体材料，其中D18的单结电池效率达18.22%（认证17.6%），使有机太阳电池效率首次突破18%，基于D18-Cl-B的单结电池效率达到18.74%（认证18.2%），这是目前报道的有机太阳电池的最高效率之一。.3. 与国内外多个课题组开展了合作，有机太阳电池机理、有机光电探测器、钙钛矿叠层太阳电池等方面取得了一系列成果。同时还与国内外多个课题组合作在非富勒烯电池、全聚合物电池以及高开路电压有机太阳电池等方面撰写了综述，总结了这些研究领域的发展历史、现状，并对其将来的发展进行了展望。.上述工作为新型有机光伏材料的开发提供了创新思路，部分成果得到了广泛关注，产生了较大的学术影响力。