氯取代二维共轭聚合物的设计、合成及光伏器件应用研究

Halogenation is an effective way to tune the energy levels of organic semiconducting materials. To date, fluorination of organic semiconducting materials to fabricate polymer solar cells (PSCs) has been used far more than chlorination; however, fluorine exchange reactions suffer from low yields and toxic reaction materials. Herein, it’s very important to develop the alternative materials for those fluorinated polymers. In this project, we will design and synthesize a series of chlorinated donor-acceptor (D-A) type polymers using either chlorinated thieno[3, 4-b]thiophene or chlorinated benzo[1,2-b:4,5-b]dithiophene unit in the polymer backbone. The chlorination will lower the highest occupied molecular orbital energy levels of the polymers. At the same time, the introducing of the two-dimensional thiophene side chains will minimize the deceased intermolecular interactions of polymer chains due to the large size of Cl atoms, which will promote the charge transport in the active layer. We hope to understand the relationship between the molecular structure and device performance by in-depth study on device physics, and develop a series of chlorinated two-dimensional polymers for efficient solar energy conversion.

卤素原子取代是一种有效调节有机半导体材料带隙的方法和手段。目前，用于聚合物太阳电池活性层材料的氟取代材料远远多于的其他卤取代材料，但氟交换反应往往具有产率低、原料毒性大等问题，由此探索氟的替代物质显得十分重要。本项目中，我们将设计合成一系列氯取代的给体-受体型聚合物，采用氯化的噻吩并噻吩或者氯化的苯并二噻吩作为聚合物的基本构筑单元，氯取代将赋予聚合物较低的最高占有分子轨道（HOMO）能级，进而可增大光伏器件的开路电压；分子设计中还将引入共轭取代侧链构筑二维聚合物结构，其可平衡由氯原子引起的聚合物分子间相互作用减弱，以保持聚合物中高效的电荷传导。同时希望结合器件物理方面的深入研究，理解材料结构与器件性能之间的关系，发展一类高效的氯取代二维聚合物材料体系。

有机聚合物太阳能电池因其低成本的溶液加工、轻质、半透明和大面积柔性制造而备受关注。按照项目的研究执行计划，项目组合成了氯取代的二维聚合物高分子材料体系，系统优化了聚合物的分子量；同时得到了具有二维噻吩[3,4-b]并噻吩结构的含氯聚合物材料体系，通过氯原子的强吸电子作用调节聚合物的能级结构，同时二维分子设计可以很好的平衡由于具有较大原子半径的氯元素所带来的聚合物聚集结构的改变，在提高聚合物太阳电池的开路电压的同时保持较大的电流密度，从而实现聚合物体系效率和器件稳定性的提升。开发了具有自主知识产权的氯代二维聚合物新材料体系，得到了超过10种聚合物给体材料分子。在器件物理方面开展了材料结构与器件性能的系统研究，对比不同聚合物分子构型太阳电池的稳态光电性能参数，并利用瞬态光电技术对器件中电荷传输机制过程进行系统的研究，进而指导分子结构的进一步设计，提升器件性能。通过项目实施，揭示了材料分子构型与光伏性能的内在关联，深入阐明化学结构如何调控材料的光伏性能。在富勒烯类有机太阳电池效率上超过11%，非富勒烯有机太阳电池效率超过16%。对未来聚合物给体分子的设计以及如何优化有机太阳电池的综合性能提供了新的思路和方法，验证了氯取代设计合成策略在推动有机太阳电池的发展中具有重要指导意义。发表高水平期刊论文55篇，申请专利3项授权一项中国发明专利。在科研人才梯队建设上，培养了多名研究助理教授和博士生，在有机太阳电池领域和有机半导体电子领域为国家科研建设提供了优秀的后备人才。