苯并二噻吩-吡咯并吡咯二酮D-A型聚合物太阳能电池研究

Bulk heterojunction (BHJ) polymer solar cells show great promise due to their low cost,light weight, easy processing technigues, and can be used to fabricate flexible devices. However, large-scale commercial appilications are limitted becase of the narrow absorption spectrum, low charge mobilities and unstability of congugated polymers.. In this program, thiophene-diketopyrrolopyrrole (TDPP) or furan-diketopyrrolopyrrole (FDPP) is used as acceptors, alkybithiophen/thiophene-furan/bifuran substituted benzodithiophenes is used as donors, 8 D-A type cojugated copolymers will be obtained through stille coupling reaction. The photo-electric properties of the materials will be investigated, also, BHJ polymer solar cells combined with the new polymers and PCBM as active layer will be fabricated, the concentration ratio and the layer morphlogy will be optimizied for further improving the power convertion efficiency and stability of the devices. If this type of solar cells were successful developed, it will have huge protential for the high efficiency, high stability of third-generation polymer solar cells, so this study is a perspective program.

聚合物太阳能电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，是目前太阳能电池研究的热点。但由于目前聚合物的吸收光谱较窄，载流子迁移率较低，稳定性差等限制了此类电池的商业化应用。.本课题拟采用噻吩吡咯并吡咯二酮（TDPP）和呋喃吡咯并吡咯二酮（FDPP）为受体单元，用联噻吩/噻吩联呋喃/联呋喃烷基链取代的苯并二噻吩为给体单元，进行Stille coupling 缩合聚合，得到八个D-A型共轭聚合物，并研究该系列材料的光电性能。同时，用PCBM作为电子受体，制备体异质结聚合物太阳能电池，研究聚合物/PCBM最佳配比，优化活性层形貌，提高聚合物电池光电转化效率和耐久性。这类电池如开发成功，将有望成为第三代高效率、高稳定性的聚合物太阳能电池，是具有较强的前瞻性研究课题。

聚合物太阳能电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，是目前太阳能电池研究的热点。但由于目前聚合物的吸收光谱较窄，载流子迁移率较低，稳定性差等限制了此类电池的商业化应用。本课题采用噻吩吡咯并吡咯二酮（TDPP）和呋喃吡咯并吡咯二酮（FDPP）为受体单元，用联噻吩/噻吩联呋喃/联呋喃烷基链取代的苯并二噻吩为给体单元，进行Stille coupling 缩合聚合，得到系列D-A型共轭聚合物，并研究该系列材料的光电性能。同时，用PCBM作为电子受体，制备体异质结聚合物太阳能电池，研究聚合物/PCBM最佳配比，优化活性层形貌，提高聚合物电池光电转化效率。在此基础上发现了简单溶剂处理可以形成更好的纳级相分离形貌，有助于提高活性层的空穴迁移率，基于呋喃基侧链的D-A型活性聚合物经过极性溶剂处理后，获得了7%的光电转换效率，也是2013年发表当时含呋喃基PSC的最高效率，文章发表后已被引用76次。. 另外，界面修饰层对器件性能起着极为重要的作用，我们创新性开发了一种制备工艺简单、价格低廉、可用水/醇类溶剂湿法成膜的非共轭有机小分子MSAPBS作为OPV的阴极界面，利用该界面材料对电池器件界面和结构进行优化，以典型的D-A聚合物PTB7和富勒烯衍生物PC71BM为活性层，把单结正型PSC的光电转换效率提高至10.02%（Nature Photonics, 2015, 9, 520），同目前广泛使用的蒸镀型Ca、LiF界面相比，电池的光电转换效率提高了近25%，也明显优于有机共轭类界面材料，得到了Nature Photonics审稿人的高度评价，认为 “该研究成果很出色，对于聚合物太阳电池领域有非常重要的贡献”（原文：The work is well presented and may provide a significant contribution to the field），入选“2015年中国光学重要成果”，被引用122次。