全梯型N型聚合物的设计、合成及其在全聚合物太阳能电池中的应用

For achieving superior mechanical/thermal stability of all-polymer solar cells (all-PSCs), and addressing the key issues that relatively low power conversion efficiency and limited materials diversity of polymer acceptors for all-PSCs to date, a series of novel fully ladder type N-type polymers were designed. Owing to the intrinsic fully fused polymer backbone structure, unique electron delocalization characteristic, longer singlet and triplet excitons life time, significant advantages in electron mobility and material stability could be obtained. Fully ladder type N-type polymers exhibit great potential application in all-PSCs as a non-fullerene polymer acceptor, which could benefit for increasing the materials diversity of polymer acceptors and improving the photovoltaic performance for all-PSCs with high power conversion efficiency, high mechanical strength and long-term stability. Systematic investigation will be carried out to elucidate the molecular structure-photovoltaic performance relationships through a broad spectral of materials and device characterization techniques. The study will offer useful insights for materials innovation of non-fullerene polymer acceptor materials with high-efficiency.

为发挥全聚合物有机太阳能电池优越的器件稳定性能以及机械性能，针对全聚合物有机太阳能电池目前存在能量转化效率相对较低、聚合物受体材料种类相对较少等关键科学问题，本项目拟设计一系列新型的全梯型N型聚合物材料，这类材料具有全部稠环的聚合物主链结构，优异的电子离域特性，较长的单线态、三线态激子寿命。全梯型聚合物在电子迁移率以及材料稳定性等方面具有明显优势，有望作为非富勒烯聚合物受体应用于全聚合物有机太阳能电池，丰富聚合物受体种类，进一步提升全聚合物有机太阳能电池性能，获得具有高能量转化效率、高机械强度、长期稳定的全聚合物有机太阳能电池。探索获得自主创新的、高效有机太阳能电池新材料，系统的研究分子结构与光伏性能之间的关系，揭示高效全聚合物受体材料的构筑规律。

社会的发展严重依赖于能源，然而随着非可再生的化石能源的极度消耗，能源危机及环境污染问题日趋严重。发展新型的清洁能源，减缓碳排放，实现碳达峰和碳中和已成为国家重大战略计划。太阳能电池因具有清洁和可持续发展的特性，已然成为当下的研究热点。而且，最新数据表明，叠层有机太阳能电池的能量转化效率已经突破20%，极具工业化应用的发展前景。全聚合太阳能电池具有优越的器件稳定性能以及机械性能，但是全聚合物有机太阳能电池目前存在能量转化效率相对较低、聚合物受体材料种类相对较少等关键科学问题，本项目拟设计一系列新型的全梯型N型聚合物材料，这类材料具有全部稠环的聚合物主链结构，优异的电子离域特性，较长的单线态、三线态激子寿命。全梯型聚合物在电子迁移率以及材料稳定性等方面具有明显优势，有望作为非富勒烯聚合物受体应用于全聚合物有机太阳能电池，丰富聚合物受体种类，进一步提升全聚合物有机太阳能电池性能，获得具有高能量转化效率、高机械强度、长期稳定的全聚合物有机太阳能电池。在项目实施过程中，合成了一系列性能优异的梯型N型聚合物，其最高的电子迁移率达到0.19 cm2/Vs；为了获得高性能的全聚合太阳能电池性能，同时也合成了一系列基于分子内非共价键作用的P型聚合物，其空穴迁移率高达1.2 cm2/Vs。制备了全聚合物太阳能电池器件，其能量转化效率达到13.22%，并显示出了优越的机械性（拉伸能力达到15%左右），处于国际先进水平。本项目的实施，获得了一系列自主创新的、高效有机太阳能电池新材料，系统的总结了分子结构与光伏性能之间的关系，为设计新型高效全聚合物受体材料奠定了基础。