轴对称稠环内酰胺类D-A共聚物的设计合成及光伏性能研究

Polymer solar cells (PSCs) have been developing rapidly due to their unique advantages like low cost, light weight, flexibility, and roll-to-roll fabrication. Power conversion efficiencies (PCEs) for single PSCs have exceeded 11%, which are close to future commercialization. However, novel and efficient polymer donor materials are still needed to develop. Some high-performance D-A copolymers based on entrosymmetric lactam acceptor units have reported by us. Based on this, we have designed three series of axisymmetric fused-ring lactam acceptor units using benzene, thiophene, or dithiophene heterocyc derivatives as the cores. D-A copolymers based on these axisymmetric fused-ring lactam acceptor units are expected to possess good light-absorbance ability, low HOMO energy levels, high charge carrier mobility and better photovoltaic performance. The relationship between chemical structures and optical, electrochemical and photovoltaic properties of the polymers will be studied by optimizing the chemical structures. This project should not only contribute to developing of highly efficient D-A copolymers based on fused-ring lactam acceptor units, but also accelerate the photovoltaic application of these polymers both in theory and in practice.

聚合物太阳能电池具有成本低、质量轻、可制备柔性器件以及可实现卷对卷印刷等优点，因而近年来得到迅速发展。目前已报道的单节电池的能量转换效率已经突破了11%，接近了商业化生产的门槛，但仍需开发新型高效的聚合物给体材料。申请人在已报道的多种基于中心对称结构内酰胺受体单元的D-A共聚物的基础上，发展了三类分别以苯类为核，噻吩类为核，和二噻吩并杂环类为核的轴对称稠环内酰胺受体单元，并计划与多种优良给体单元共聚制备多种D-A共聚物。本项目设计的基于轴对称稠环内酰胺受体单元的D-A共聚物有望获得较好的吸光性能，较低的HOMO能级，较高的载流子迁移率，从而获得较高的能量转换效率。通过优化聚合物的分子结构，研究聚合物化学结构与光学，电化学和光伏性能等的关系。本项目的实施对指导高性能的稠环内酰胺类聚合物给体材料的设计与合成，促进稠环内酰胺类聚合物在太阳能电池中的应用具有重要的理论与实践意义。

随着煤、石油等不可再生能源的枯竭，和使用化石能源造成的环境污染日趋严重，开发清洁可再生能源成为迫在眼前的重要课题。有机太阳能电池作为第三代太阳能电池，可以直接将太阳能转换成电能，能有效缓解能源危机和环境污染，因而成为当今的研究热点之一。活性层材料是决定有机太阳能电池效率的关键之一。本项目围绕新型轴对称稠环内酰胺受体单元开展工作：1、设计合成了以二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]噻吩(并三噻吩)为核的轴对称并七环内酰胺受体单元TD3；并以TD3为受体单元，噻吩为给体单元，通过Stille偶联反应以高收率合成了D-A共聚物PThTD3。相对于已知类似聚合物PThTD1，PThTD3具有红移的吸收光谱，较低的LUMO能级和更好的空穴迁移率。基于PThTD3:PC71BM的反式聚合物太阳能电池的能量转换效率达到了7.25%，显著高于聚合物PThTD1的能量转换效率。结果表明，我们设计合成的轴对称内酰胺受体单元TD3是一类用于聚合物太阳能电池的优良构筑单元。2、设计合成了以具有内酰胺结构的7,7'-双(二噻吩并[3,2-b:2',3'-d]吡啶)-5,5'(4H,4'H)-二酮(BDTP)为受体单元，噻吩并[3,2-b]噻吩(TT)或2,2'-联二噻吩(BT)为给体单元的D-A共聚物PTTBDTP和PBTBDTP。PTTBDTP和PBTBDTP具有较好的热稳定性和较低的HOMO能级。基于PThBDTP/PC71BM的聚合物太阳能电池的能量转换效率达到6.86%，高于PTTBDTP/PC71BM电池的5.84%。3、设计合成了以一个或两个优良给体单元CPDT为核，二氰基靛酮为端基的小分子受体材料1CIC和2CIC。与1CIC相比，2CIC具有较宽的吸收光谱和较窄的光学带隙(1.34 eV)，吸收光谱拓宽到近红外区。基于PTB7-Th:2CIC的非富勒烯太阳能电池的能量转换效率为3.53%，显著高于基于PTB7-Th:2CIC的电池。我们相信本项目的实施对指导用于有机太阳电池的高性能的稠环内酰胺类聚合物给体材料和小分子受体材料的设计与合成具有非常重要的意义。