含有二噻吩并芳杂环的寡聚物给体材料的合成及其光伏性能的研究

In the past two years, the power conversion efficiencies (PCE) of the solution processed organic small molecules/oligomers based solar cells was continuously improved and the dithienosilole and oligothiophene based materials have been widely used in organic photovoltaics (OPV). In this project, two types of the oligomers were constructed for the application in organic photovoltaics based on the novel dithienoheteroaromatic units (7,7-dimethyl-dithieno[2,3-b:4',3'-d]silole, dithieno[2,3-b:3',4'-d]thiophene and 7H-cyclopenta[1,2-b:3,4-c']dithiophen-7-one). The first type of the oligomers bearing star shapes, were made from the novel dithienoheteroaromatic units as the cores and the other type was the linear shaped oligothiophenes, which utilized these dithienoheteroaromatic building blocks as the planar end groups. As for these oligomers, the relationships between the structures and the power conversion efficiency, the distribution of the electrons, the π-π interactions between the molecules, the aggregation morphology in the solid thin films, and the electrochemical properties will be studied. The implementation of this project will enrich the family of the OPV oligomers and the building blocks for the structure design.

近两年，可溶液加工的有机小分子/寡聚物太阳能电池的光电转换效率不断攀升，基于二噻吩并噻咯体系和寡聚噻吩体系的材料被广泛应用于有机太阳能电池领域的研究。本项目基于新颖的二噻吩并芳杂环单元（7,7-二甲基-二噻吩并[2,3-b:4’,3’-d]噻咯、二噻吩并[2,3-b:3',4'-d]噻吩和7H-环戊二烯[1,2-b:3,4-c']并二噻吩-7-酮）构筑了两类应用于有机太阳能电池的新型寡聚物材料：一类是以二噻吩并芳杂环作为母核的星型寡聚物材料；另一类为以其作为端基的线型噻吩寡聚物材料。对于这两类材料，将主要考察二噻吩并芳杂环体系作为母核、端基引入分子体系后的对太阳能电池器件的光电转换效率、材料的吸收光谱、电子云分布、固体薄膜中的聚集形态、分子间的π-π相互作用以及材料电化学能级的影响。本项目的实施将丰富有机太阳能电池寡聚物材料及构筑单元的种类。

小分子/寡聚物由于具有精确的分子量、结构可控、易纯化、溶解度好等特点，逐渐引起了各国科学家的广泛关注。尤其是近两年，可溶液加工的有机小分子/寡聚物的太阳能电池新材料不断涌现，其研究也取得了较大的发展，目前，该类材料单节太阳能电池器件的最高光电转换效率已经突破11%，达到了与聚合物太阳能电池相当的水平。本项目计划的实施共计合成新型建筑单元10种，寡聚物材料26种，聚合物材料24种，小分子非富勒烯受体材料8种，针对这些材料我们进行了详细的表征，并对其进行太阳能电池器件的组装对其构效关系进行了详细的探讨，具体工作如下：（1）首先以结构新颖的三元二噻吩并芳杂环结构（二噻吩并噻咯、二噻吩并噻吩、二噻吩并吡喃）为突破点，设计并合成了多种线形寡聚物、星形寡聚物及聚合物给体材料；（2）设计并合成了系列梯形二噻吩并芳杂五元稠环建筑单元，并成功将该类材料应用于寡聚物、聚合物给体材料的设计中，其中最佳的光电转换效率达到了8.26%；（3）尝试将梯形二噻吩并芳杂环体系用于非富勒烯受体的研究，合成了多种A-D-A型稠环受体材料，最佳光电转换效率达到11%；（4）此外，还拓展研究了一些其它复杂噻吩共轭寡聚物体系的合成，如：基于四噻吩建筑单元的寡聚物、全噻吩双螺旋寡聚物等，研究工作为有机功能材料的设计合成提供了多种多样的建筑模块；（5）拓展研究过程中高产率制备了二苯并吡喃模块，基于其合成了多种聚合物给体材料，初步光电转换效率达到了7%。在本项目工作实施的基础上2017年新获批一项国家自然科学基金项目。