基于吡咯并吡咯二酮类聚合物给体和苝酰亚胺类聚合物受体的全聚合物太阳能电池研究

All-polymer solar cells (PSCs) have achieved great proress in recent years, in which the power conversion efficiency (PCE) as one of important parameters is still required to be improved. It is noted that conjugated polymers as electron donors used in all polymer solar cells have limited absorption spectra in near-infrared (IR) region, which will reduce the coverage of sun spectrum and hence lower the performance. Diketopyrrolopyrrole (DPP)-based conjugated polymers show excellent absorption in near-infrared region, but the PCEs of all-PSCs based on DPP polymers as donors are only below 3%. Since DPP polymers show high hole mobilities and crystalline properties, conjugated polymers as electron acceptor require high electron mobilities and reduced crystalline behavior in order to realize balance hole and electron transport and optimized micro-phase separation in donor/acceptor systems. In this project, the applicant will focus on perylene dimide (PDI) based conjugated polymers as electron acceptors. The fused bis-PDI monomers and polymers will be designed and synthesized, where the twist bis-PDI units will be helpful to reduce the crystallinity and large π conjugated systems are beneficial for electron mobilities. All-PSCs based on DPP polymer donors and PDI polymer acceptors will be fabricated toward high PCEs.

全聚合物太阳能电池目前得到了快速发展，效率的提高仍然是研究重点。其中，聚合物给体材料在近红外区域的吸收较少，对太阳光谱利用率低是限制这类电池性能的关键之一。吡咯并吡咯二酮类聚合物的吸收集中在近红外区域，但是当前基于这类材料的全聚合物太阳能电池光电转化效率低于3%。考虑到这类聚合物的高空穴迁移率和优异结晶性，申请人将设计新的受体聚合物，提高电子迁移率以实现平衡的电荷传输，同时降低聚合物的结晶性以优化共混体系的形貌。本项目中，申请人将以苝酰亚胺为研究对象，利用这类分子的多个修饰位点，设计新型受体聚合物，开发稠环双苝酰亚胺单体，一方面获得构型扭曲的结构单元，降低结晶性，另一方面大π共轭单体有利于聚合物电子迁移率的提高。以这类受体聚合物与DPP类给体聚合物为主体，预期实现宽吸收、高性能的全聚合物太阳能电池。

全聚合物太阳能电池在近些年被广泛研究，拥有良好的溶液加工性能，易于大面积制备成柔性器件，有大规模工业化应用潜力。本项目旨在研究基于苝酰亚胺和吡咯并吡咯二酮的全聚合物太阳能电池。在本项目的支持下，主要开展了两方面的研究工作：1.苝酰亚胺受体材料的分子结构和结晶性关系，发现苝酰亚胺类分子的共轭平面造成极强的聚集倾向，在分子内引入扭曲单元会削弱其聚集，但是同时也会降低其电子迁移率。通过稠环扭曲策略既减弱聚集又能保证良好的电子传输性能。2.为进一步解决该类电池性能低下的问题，我们将给体和受体结合到同一分子，基于这类双揽型聚合物的单组分太阳能电池表现出优异的性能。进一步对该类电池的材料与性能之间的关系开展了细致研究。最终发现，对于苝酰亚胺和吡咯并吡咯二酮这些结晶性强的材料体系，合理设计分子结构构筑双揽共轭聚合物是提升性能的有效途径。