基于苯并二噻吩单元的小分子给体材料的合成及其光伏性能研究

As an important source of renewable energy for a sustainable future, thin-film organic solar cells (OSCs) have received significant attention due to the advantages of light-weight, flexibility, low cost, and facile fabrication of roll-to-roll processing. The efficiency of OSCs continues to increase by designing new photovoltaic materials, which probably exceeds the threshold for the commercial applications of OSC. However, there are three key issues that have to be considered carefully for practical applications: high PCE, good processability and excellent long-term stability. This proposal mainly focus on the investigation of the engineering of central BDT unit and its alkylthio side chains in tuning the photovoltaic properties of donor materials and their processability as well as the long-term stability of active layers. On the one hand, we dedicate to develop high performance small molecule donor materials with various alkyl side chains. On the other hand, we try to increase the number of central BDT unit for tuning material processability and modifying thermal stability and photo-stability of relevant active layers, and thus achieving high performance materials which can achieve the requirements of further applications. The relationships between conjugated architectures, photovoltaic properties and device photo-stability will be thoroughly investigated and deeply understood.

作为一个可持续的未来可再生能源，有机太阳能电池因其具有重量轻、柔性、价格低和可卷对卷大面积制备等优点而备受关注。基于有机光伏材料的开发和设计，目前有机太阳能电池的效率逐年提高，这可能超过了有机太阳能电池商业应用的阈值。然而，在实际应用中我们需要着重综合考虑三个关键问题：高能量转换效率、良好的可加工性能和高器件稳定性能。本项目拟将系统研究苯并二噻吩单元（BDT）及其侧链对小分子给体材料的光伏性能、加工性能和稳定性能的综合调控作用。一方面，我们拟通过引入不同的烷硫链，设计开发高能量转换效率的小分子给体材料。另一方面，我们拟增加中心BDT单元的个数，来调节材料的可加工性能和活性层的光热稳定性能，开发出满足商业需要的光伏给体材料。深入探究小分子给体材料的结构、光伏性能、可加工性能和器件稳定性之间的关系。

有机太阳电池具有质轻价廉、可制备柔性半透明设备等优点，显示出了巨大的商业应用前景。我们致力于第三代溶液可加工的有机太阳能电池的基础研究。在该项目中，我们对小分子给体材料的侧链和中心电子给体单元进行调控，并评估这些调控方式对给体材料光伏性能和稳定性的影响。本项目的研究工作主要包括了以下几点：1）调节侧链和中心给电子单元并进行相应的材料合成及其光伏性能表征； 2）将小分子给体与受体进行共轭连接，构建单组份有机太阳能电池，进一步提升稳定性；3）深入探究影响有机太阳能电池稳定性的因素，为提升有机太阳能电池的活性层稳定性提供理论基础。.我们在苯并二噻吩(BDT)单元的噻吩侧链上引入噻吩烷硫链可以明显提升给体材料的空穴迁移率，同时对活性层的形貌也有一定的调控作用，取得了超过11%能量转换效率和良好的稳定性。另外，我们对BDT单元进行修饰，通过噻吩稠环化增大中心给电子单元共轭性和引入氧原子来改变偶极矩的方式，增加了给体材料的结晶性，使其在薄膜中排列更为有序，取得了最高为14.03%的能量转换效率。为进一步提升稳定性，我们构建了给受体材料共轭连接的单组份小分子太阳能电池。相较于给受体共混膜，基于单分子层的器件显示了出优异的稳定性。为了研究影响小分子太阳能电池稳定性的内在机理，我们系统地研究下全小分子活性层的形貌演变，发现了表面能是影响其形貌演变的根本原因。我们的工作为设计合成高效率且稳定的光活性层材料，特别是小分子光伏材料，提供了可靠的实践指导和理论指导。