多节棍型聚合物光伏材料的研制

The organic photovoltaic materials developed so far can be categorized into two main classes: conjugated polymers and small molecular compounds. In general, conjugated polymers are easy-processing and good for film formation, but suffer from the poor batch reproducibility. Small molecular compounds have a discrete structure, and thus exclude the issue of poor batch reproducibility. However, they generally tend to crystallize, not good for film formation. Furthermore, their solutions are generally in low viscosity, which may be not suitable for industrial membrane manufacture technologies. This project proposes a completely new type of organic photovoltaic materials, namely poly(rod-coil) polymers, which is composed of opto-electronically active conjugated segments and non-conjugated soft ones in an alternative fashion, and prepared from a monomer with a low bandgap nature and two terminal active functionalities for further polymerization. Owing to their opto-electronically active segments are defined, like small molecular photovoltaic compounds, this type of materials are expected to possess molecular weight-less dependent photovoltaic properties. Meanwhile, their polymeric nature would enable the materials a good film formation potential. The project will be concentrated on design, synthesis, and property studies of this type of polymers, and penetrate into the impacts of each structure factor on the basic properties, molecular packing structures in condensed state, and photovoltaic performance. Moreover, the project also aims to develop several novel materials with high photovoltaic performance and further to develop in-situ and crosslinking technologies for a stable photovoltaic film and cell.

目前有机光伏材料主要可分为共轭聚合物和小分子化合物两大类。通常共轭聚合物具有易加工成膜的优点，但批次重复性不佳。小分子化合物结构明确，没有批次重复性问题，但通常容易结晶、不易成膜，而且溶液粘度低，不适合工业化制膜工艺。本项目提出一类新型的有机光伏材料，称之为多节棍型聚合物，其结构由具有光电活性的共轭链段与非共轭的柔性链段交替组成，经具有窄带隙能级特征且两末端含可进行聚合反应的活性基团的单体合成而得。由于其光电活性链段结构明确，类似于小分子光伏化合物，此类材料有望减少其光电性能对聚合度的依赖。同时，聚合物的本质预计可使材料拥有良好的成膜性能。项目将充分展开这类聚合物的设计、合成及性能研究，探讨各结构因素对其基本性质、凝聚态结构及光伏性能的影响，揭示其特点和构效关系。在此基础上，争取开发出高性能的有机光伏材料，发展基于现场聚合和交联聚合策略的高稳定性高性能光伏活性层及电池器件的制备技术。

相比无机同类器件，有机发光二极管、有机场效应晶体管、有机太阳能电池、有机信息储存器等有机光电器件具有质量轻、可溶液低成本加工、活性物质可设计合成、无资源限制、容易实现柔性和大面积制备等优势，受到科学界和工业界的极大关注。作为这些器件赖以实现功能的活性物质，有机半导体材料经过半世纪的发展，数量已经非常庞大，但绝大多数可归纳成为两大类材料，一类是共轭聚合物，另一类是具有较大共轭体系的小分子化合物。共轭聚合物具有一维延伸的共轭主链，有利于载流子的传输，而且普遍具有较好的成膜性，但其光电性能受聚合物分子量和分子量分布影响较大，从而造成批次制备性能的波动。相反地，小分子有机半导体材料具有明确的分子化学结构，不存在合成批次问题，但普遍容易结晶或凝聚，不易溶液加工得到高质量的大面积薄膜。在此背景下，本项目提出了一类介于共轭聚合物和小分子化合物之间的新型合物半导体材料，其主链结构是由组成明确的共轭刚性链段和非共轭柔性链段交替而成，类似于中华武术的二节棍和三节棍，故将其命名为多节棍型有机半导体材料。在此类材料中，共轭刚性链段是材料光电性能的基础，其又具有类似小分子结构确定的特点，因此预计此类材料光电性能受聚合度的影响较小；而且材料本身是聚合物，有望拥有优良的成膜性能。项目总共设计合成了3类多节棍聚合物光电材料，研究了及基本性质、光伏性能和场效应晶体管性能。这些研究证实了此类聚合物的光电性能对聚合物分子量依赖性较小，而且具有远比参比小分子化合物优秀的成膜性能。在场效应晶体管的应用中，多节棍聚合物的器件，其迁移率还稍好于参比小分子器件，而且其器件制备成功率和均匀性远高于小分子器件。项目的这些研究结果表明，多节棍聚合物是一类新型的有机聚合物半导体材料，有其自己的特点和优势，值得进一步研究。