窄带隙共轭树形大分子材料的研制及其在有机光伏器件上的应用

The objective of this research project is to develop novel low band gap conjugated oligothiophene dendrimers with narrow optical band gap, red-shifted absorption band and improved charge carrier mobility for use in organic solar cells. Dendrimers having equal α-oligothiophene chains will be synthesized starting with a novel AB2 type oligothiophene monomer by using metal catalyzed C-C coupling reaction. Chemical functionalization of conjugated dendrimers at different positions will be carried out by using functional small optical band gap unit/alternative donor-acceptor unit or dye unit. Special emphasis will be given to the functionalization of dendrimers at the periphery positions. Such a structure modification should endue the product with more intensive light absorption ability for its more condensed peripheral chromophores, and with higher charge carrier mobility for its more intensive intermolecular interdigitation. Photophysical properties, HOMO/LUMO energy elves, aggregation behavior, charge transport properties and device performance of these functionalized dendrimers will be investigated in detail, and the results will be correlated to their molecular structures, which will lead to important structure-property-performance relationships. Moreover, E-ink for organic solar cells fabrication will be formulated using these low-band-gap oligothiophene dendrimers and fullerene derivative, and the fabrication processing of printable organic solar cells will be studied and established.

以提高共轭树形化合物在有机薄膜光伏器件上的应用效能为目的，围绕着降低材料的光谱带宽、红移材料的吸收峰带、提高材料的电荷传输性能等核心科学目标，通过设计新型AB2型寡聚噻吩单体，利用高效金属催化C-C偶联反应，合成系列具有均一的α-寡聚噻吩重复单元的共轭树形寡聚噻吩化合物；在此基础上利用光谱调节基团、端位电子给受体修饰基团以及染料增色基团等对其进行不同位点、不同取向以及不同功能的化学修饰；系统地比较研究化合物分子的化学组成与空间结构对材料的光谱带隙、HOMO/LUMO能级结构、分子聚集行为等物化性质，及材料在有机薄膜光伏器件上的光电转换效能的影响；探索分子的化学结构对材料性能影响的微观作用机制，总结归纳分子的构效关系；从中筛选出性能优良的共轭树形化合物，制备可印刷电子油墨，并探索优化有机薄膜光伏器件的印刷制备工艺。项目的开展将为拓展共轭树形化合物在有机薄膜光伏器件上的应用提供一个新的思路。

本项目围绕着降低共轭树形寡聚噻吩类化合物半导体材料的光谱带宽、红移材料的吸收峰带、提高材料的电荷传输性能等核心科学目标，设计合成了系列内核与外围功能修饰的新型共轭树形寡聚噻吩衍生物，通过引入苯并噻二唑（BT）、吡咯并吡咯二酮（DPP）以及苝二酰亚胺（PDI）等功能修饰单元，光谱带宽可以从2.0 eV降低到1.6 eV，同时将最大吸收波长从420 nm红移到680 nm，实现了项目预订的材料光谱及电子能级结构的调整。在此基础上，系统深入地比较研究了功能修饰单元的化学结构以及取代位置等对材料光谱带隙、HOMO/LUMO 能级结构、以及分子聚集行为等物化性质，并通过构建有机薄膜光伏器件上，测定材料的光电转换效能。项目研究结果表明，DPP外围修饰的树形寡聚噻吩衍生物在光谱及电子能级等性能上最为优异。但是，由于其过于强烈的分子间相互作用，导致其在有机光活性层薄膜中相态分离并不理想，进而影响和限制了器件的光电转换效率。在给体材料方面，项目将结合苯并二噻吩功能单元（BDT）修饰理想光谱带隙以及平衡的分子间相互作用的优势，进一步拓展共轭树形寡聚噻吩的功能化修饰。另一方面，由于共轭树形寡聚噻吩所具有的刚性及空间非平面结构，PDI修饰的树形寡聚噻吩是一类新型的非富勒烯受体材料。基于此的聚合物非富勒烯太阳能电池效率可达5%以上。此外，项目开发了本项目发现基于DPP外围修饰的树形寡聚噻吩可用于半导体性单壁碳纳米管的选择性分离。其具有包括：分离效率高、稳定性好、批次差异小等优点，是一类非常理想且使用的碳纳米管分离材料。利用这里类树形寡聚噻吩衍生物分离的单壁碳纳米管在有机薄膜晶体管器件取得了迁移率可达15 cm2 V-1s-1，开关比可达107。这一结果为单壁碳纳米管的选择性分离提供了一种新的方法，同时也扩展了树形寡聚噻吩类衍生物的应用。