多元D-A型三维小分子光伏给体材料的合成及其性能研究

Small molecules as donor materials in organic solar cells have been regarded as one of the most important research frontier in the field of new materials and energy owing to their advantages of widely source, defined molecular structures and ease of purification. However, small-molecule donor materials still exhibit an inferior photovoltaic performance in solar cells currently, which affect their application in organic solar cells seriously. As known, design and synthesis of small molecules with a broad absorption and high charge carrier mobility is the key procedure to solve this problem. Therefore, in this project, novel multiple Donor-Acceptor (D-A) type three dimensional (3 D) small molecules will be designed and synthesized as the photovoltaic donor materials. By studying the effect of molecular structures and molecular building model on their photo-physical properties, charge carrier mobility and photovoltaic properties, the design rules of high performance small-molecule donor materials will be revealed. Furthermore, the independent innovated small-molecule donor materials and their corresponding high performance solar cells will be also obtained. This project is not only available to enrich and develop the system of small-molecule donor materials, but also indicates an important theoretical and realistic significance for solving the key issues of low photovoltaic performance for small molecules, then further promoting the application of small-molecule donor materials in organic solar cells.

小分子光伏给体材料具有来源广泛、结构确定和容易纯化等特点，是当今新材料和新能源领域最富生机和活力的研究前沿之一。然而，目前小分子光伏给体材料仍然存在光电转换性能较差的问题，这严重限制着其在太阳能电池器件中的实际应用。构筑具有宽光谱响应、高载流子迁移速率的小分子光伏给体材料是解决此问题的关键。因此，本项目拟从材料分子结构的构建入手，设计和合成一类含稠环噻吩单元的多元D-A型三维小分子光伏给体材料。通过研究多元D-A型三维小分子光伏给体材料的分子结构和分子构建方式对其光物理性能、电荷传输性能以及器件光伏性能等的影响，揭示高性能小分子光伏给体材料的分子构筑规律，获得自主创新的高性能小分子光伏给体材料及其太阳能电池器件。项目的实施对于丰富和发展小分子光伏给体材料体系、解决小分子光伏给体材料性能较差的问题以及促进小分子光伏给体材料在太阳能电池器件中的实际应用具有十分重要的理论和现实意义。

由于小分子光伏给体材料来源广泛、结构确定和容易纯化等的优点，近年来受到了全球科学家们的广泛关注，是当今新能源领域最富生机和活力的研究前沿之一。然而，目前小分子光伏给体材料仍然存在光电转换性能较差的问题，同时高效率小分子材料种类较少的问题也严重限制了其在太阳能电池器件中的实际应用。而构筑具有宽光谱响应和高载流子迁移速率的小分子光伏给体材料是解决此问题的关键之一。基于此，本项目从材料分子结构的构建入手，设计和合成了一类具有多元D-A结构的三维小分子光伏给体材料。相较于普通的D-A型小分子材料，具有多元D-A结构的小分子光伏给体材料显示了更为优异的光电性能，其吸收光谱可由300 nm覆盖到800 nm左右，并具有较高的载流子迁移速率 (~0.039 cm2 V-1 s-1) 和太阳能电池器件中较好的光电转换效率 (~5%)；此外，本项目通过研究多元D-A型小分子光伏给体材料的分子结构对其光物理性能、电荷传输性能以及器件光伏性能等的影响，揭示出了小分子光伏给体材料的分子构筑规律，并且获得了系列自主创新的高性能光伏材料及其太阳能电池器件。项目的实施对于丰富和发展小分子光伏给体材料体系以及解决光伏材料性能较差的问题等具有十分重要的理论和现实意义。