新型窄带隙聚噻吩衍生物杂化太阳电池的构建与极化率调控光伏性能研究

Tuning the Polarizability in narrow band gap conjugated polymer to control hybrid solar cell power conversion efficiency is a new exploration, it will expand the application of polymer in hybrid solar cells and has important scientific significance and practical value. This project is planned to synthesize a new series of low-bandgap copolymers with different polarization based on different electron-accepting units, such as quinoxalines and Benzothiadiazole and different electron-donating units, such as dithienosilole and dithienylpyrrole, by controlling the substituents of donor and acceptor units and the polymer capping group to change the polarization of the polymer. And the polymer will be applied to hybrid polymer solar cells. The incentive of polymer polarization change will be proven. The bulk heterojunction structure is the core unit, energy level and interface match will be constructed. The underlying mechanism of electron/hole generation, separation, transfer at the interface will be illustrated through the time-resolved spectroscopy techniques. The relationships between the polarization of p-type polymer and the photovoltaic performances will also be elucidated. Efficient hybrid solar cell will be developed. This project will provide new ideas and theoretical basis for improving the power conversion efficiency of hybrid solar cells.

窄带隙共轭聚合物的极化率调控杂化太阳电池光电转换效率一项近乎全新的探索，它将拓展聚合物在杂化太阳电池中的应用，具有重要的科学意义和实用价值。本项目拟选择可以降低聚合物光学能带隙的喹喔啉、苯并噻二唑作为(D-A)共轭聚合物的受体单元，二噻吩并噻咯、噻吩并吡咯作为(D-A)共轭聚合物的给体单元，并且通过控制给体、受体单元的取代基、聚合物封端基等，改变聚合物的极化率，设计合成具有一系列极化率的窄带隙p型聚合物材料，并应用与杂化聚合物太阳电池，探明聚合物极化率改变的诱因；以体异质结为核心单元，构建能级和界面匹配的结构；以时间分辨光谱技术为探测手段，探明体异质结内电子/空穴产生、分离及传输的机制，阐明p型聚合物极化率与太阳电池光电转换效率之间的关系，研制高效的杂化太阳电池，为提高杂化太阳电池光电转换效率提供新思路和理论依据。

太阳能作为一种清洁能源，可以源源不断的取之不尽，太阳电池的探索利用和研究一直备受国内外科研学者的青睐。经历多代研究学者的开发和研究，太阳电池经历数次更迭，种类多种多样。本课题研究了共轭聚合物的极化率对太阳电池光电转换效率的影响，主要研究工作有：.（1）设计并且合成了由苯并二噻吩，二噻吩并噻咯，二噻吩并吡咯衍生物和噻吩-噻吩衍生物组成的聚合物。同时对其侧链F原子和酯基的引进而带来的偶极矩和平面性变化对分子电荷转移带来的影响做出了研究。在受体单元中引入F电子受体基团改善了整个分子骨架的平面性，同时分子的偶极矩得到增强。而对于没有噻吩侧链的聚合物，随着F的引进反而导致平面性下降，但是分子的偶极矩依然得到了提升。因此两者在提高聚合物的光伏性能方面起着协同作用。在保证平面性的前提下提升偶极矩，分子内部电荷转移得到加强，短路电流得到较大增益，而在没有保证平面性的前提下提升偶极矩总体上短路电流也到了提升，但是没有前者明显，提升幅度不大。最终，具有高度平面性分子骨架以及较大偶极矩的聚合物能量转换效率超过4％。.（2）以聚酰亚胺(PDI)、萘酰亚胺(NDI)和二噻吩并噻唑、二噻吩并吡咯为原料合成了受体聚合物。通过计算非富勒受体聚合物的偶极距和极化率变化，识别不同的受体聚合物体系，并确定不同受体聚合物的极化率对光伏器件性能的影响，以此来筛选不同的给体和受体聚合物，用于设计和合成高性能太阳电池。.（3）制备四种氟化给体聚合物，并以PC71BM为受体材料制备活性层。比较聚合物中引入氟原子的数量和聚合物-富勒烯BHJ太阳电池的性能参数比较，发现含有两个氟原子的聚合物的瞬态荧光寿命明显比含有一个氟原子的荧光寿命要长，因而其PCE也就更高。在聚合物中引入氟原子，提高太阳电池效率和寿命方面具有很高的应用前景。另外我们的研究发现通过极化率和偶极距可以用来筛选不同的给体聚合物，并引入氟原子，用于设计和合成高性能太阳电池。