基于三聚茚及卟啉基元的D-A型共轭聚合物高效电子给体材料 的制备与性能研究

Polymer solar cells (PSCs) have attracted considerable attention in recent years due to their potential for lightweight, the roll-to-roll process for making large area and flexible devices. One of the key to obtain high efficient polymer solar cell is prepared the polymeric electron donor materials with broad range of absorption spectra and high-performance of charge transfer. In this project, we shall design and synthesize D-A conjugated polymers containing truxene derivatives with a good hole transmission performance or metal–porphyrin coordination compounds with high absorption coefficient. The polymer solar cells will be prepared by blending these as-synthetic conjugated polymers as donor materials and non fullerene derivative as acceptor materials. The photovoltaic performances of conjugated polymers could be improved by adjusting finely the chemical structures of the D-A conjugated polymers with the suitable absorption range, appropriate molecular frontier orbital energy, high charge mobility,and optimal microphase separation state. The relationship between the chemical structures of D-A conjugated polymers and their photophysical, electrochemical, charge transfer and photovoltaic properties will be investigated in detail. It is expected that we can provide a new idea for achieving donor materials with high power conversion efficiency of the polymer solar cells.

聚合物太阳能电池由于具有重量轻，可采用湿法成膜大面积加工, 以及可制成柔性器件等优点倍受科学界的重视。制备吸收光谱范围宽、电荷传输性能好的聚合物给体材料是获得高效聚合物太阳能电池的关键之一。本项目拟设计合成含有良好空穴传输能力的三聚茚衍生物和高吸收系数的卟啉金属配合物，将其与合适的受体基元共聚得到D-A型共轭聚合物作为电子给体材料，与非富勒烯电子受体材料共混制备聚合物太阳能电池。通过优化D-A型共轭聚合物的分子结构，调节吸收光谱和前线分子轨道能级，改善电荷传输性能和相分离形态，从而提高共轭聚合物电子给体材料的光伏性能。通过细致研究这两类新型D-A共轭聚合物的结构与其光物理性质、电化学性质、电荷传输性能及光伏性能的关系，为获得高能量转换效率的聚合物太阳能电池给体材料提供新思路。

有机聚合物太阳能电池由于具有重量轻，可采用湿法成膜大面积加工, 以及可制成柔性器件等优点倍受科学界的重视。在本项目四年研究期间，设计合成出4大类共43种D-A型共轭聚合物电子给体材料、有机小分子给体和受体材料以及非共轭电子传输层材料用于制备有机聚合物太阳能电池，获得了最高17.60%的能量转换效率，超额达到了预期研究结果。在国内外SCI刊物上发表高水平研究论文20篇，已获授权中国发明专利2项，培养博士生3名、硕士研究生16名。. 本项目取得如下主要研究成果：1、设计合成了13种聚合物给体材料和3种有机小分子给体材料，分别与富勒烯衍生物受体材料（PC71BM）或非富勒烯受体（IT-4F、Y6）共混制备的聚合物太阳能电池器件获得了1.25%~17.38%的能量转换效率。2、设计合成了21种小分子受体材料，分别与聚合物给体材料PM6、PBDB-T共混制备的二元和三元有机太阳能电池分别获得了4.56%~15.23%和16.60%的高能量转换效率。3、设计合成了6种非共轭电子传输层材料，分别将它们应用到PM6:Y6的体系中制备的有机聚合物太阳能电池器件获得了10.41%~17.60%的能量转换效率。而应用到PTB7-Th：PC71BM的体系中制备的不同厚度的有机聚合物太阳能电池器件获得了8.95%~10.38%的能量转换效率，展现出显著的厚度不敏感性，便于有机聚合物太阳能电池印刷工艺应用。4、将合成的卟啉金属配合物或聚合物应用于锂离子正极材料，分别获得了219 mAh g-1和122 mAh g-1的放电比容量，并在循环1000-2000次后保持稳定。卟啉铜配合物CuTP作为有机钠离子电池的正极材料，在100 mA g−1条件下具有203 mAh/g的可逆容量，在5 A /g的高电流密度下具有高达11000次的长周期循环稳定性。