基于稠杂环受体单元的聚合物给体的合成及其光伏性能的研究

The achievement of ideal polymer donors with high efficiency is the first prerequisite and one of effective methods to accelerate the commercialization of polymer solar cells. In recent years, novel polymer donor materials based on fused units play important role in the realization of high efficient photovoltaic cells. With the idea of fused ring, this project designs the synthesis of fused benzoselenadiazole units as acceptor units and develops polymer donors via the strategy of alternative combination of donor unit and acceptor unit. The polymers using the dithienobenzoselenadiazole as the acceptor unit could lower their HOMO energy levels and strengthen the interchain interaction between polymer backbones, which may achieve high efficiency for polymeric photovoltaic cells. The further lower HOMO energy level, narrower band gap and stronger interchain interaction of the polymers could be obtained through the introduction of the fluorinated dithienobenzeselenadiazole unit. Increasing the amount of interchain interactions by the incorporation of fused thiophene units enhances the ability of charge transport of the polymers. Consequently, the solar cell efficiency of the polymers based on fused heterocyclic benzoselenadiazole untis could be improved significantly, which boosts the development in polymer solar cell.

获得理想的高效率聚合物给体材料是聚合物太阳电池的先决条件，是加速其商业化进程的有效办法之一。基于稠环单元来构筑新型聚合物给体材料是当前实现高效率光伏电池的重要途径。本项目采用稠环设计思想，设计合成稠杂环苯并硒二唑单元作为受体单体，通过给体-受体交替的构筑方法制备多种聚合物给体材料。设计合成苯并硒二唑并二噻吩受体单元并构筑聚合物，能使其HOMO能级降低以及增强聚合物的链间作用，获得高效率的聚合物给体材料。利用氟代苯并硒二唑并二噻吩单元，进一步降低聚合物的HOMO能级和吸收带隙以及增强聚合物链间作用，实现更高性能的聚合物电池。通过与稠环噻吩类给体单元共聚，增加聚合物的链间作用数量，提高载流子传输能力，将会极大地提升聚合物给体材料的器件效率，促进聚合物太阳能电池的发展。

聚合物太阳能电池是把光能转化为电能的装置，由于轻质，廉价，可大面积制备和柔性加工，备受科研界和工业界的青睐。由于光电转化的过程需要高效稳定聚合物给体材料，获得理想的聚合物给体材料是材料化学家一直努力追求的目标。给体单元（D）-受体单元（A）交替共聚是构筑聚合物给体材料的重要方法，而且研究者一直致力于挖掘新型的给体单元和受体单元，从而丰富了聚合物给体种类。基于稠环单元来构筑新型聚合物给体材料是当前实现高效率光伏电池的重要途径。.本项目采用稠环设计思想，设计合成稠杂环苯并氧二唑单元作为受体单体，通过给体-受体交替的构筑方法制备多种聚合物给体材料，并开展含稠环二噻吩并苯并氧二唑单元（DTfBO）的聚合物给体材料的厚膜器件研究。通过三种共聚单元变化，合成了三种DTfBO聚合物，迁移率均超过0.2cm2/(V s)，最高达到0.54cm2/(V s)。在光伏器件中，在活性层厚度为100nm时，器件的填充因子相当高，最高达到75.4%；而在活性层厚度为250nm的厚膜器件中，厚膜器件比薄膜器件的效率更高。对于含联噻吩的聚合物，效率可以从2.85%提高到5.61%，说明高迁移率材料作为给体聚合物在厚膜器件中是有优势的，为高效厚膜聚合物器件的材料设计提供新方法。.通过长烷基链的引入，合成高分子量聚合物PBODT，研究了与两种不同非富勒烯受体搭配的as-cast器件性能。我们发现基于ITIC的器件效率超过7%，基于IDIC的器件效率超过9%。我们的研究表明当给体受体能级比较靠近的时候，虽然可以获得高开路电压，但是驱动力不足造成短路电流不高。通过GIWAXS测试，发现纯聚合物PBODT是结晶性很好的edge-on取向，共混之后部分edge-on转变成face-on，这样保证了良好的电荷传输。我们的工作表明高结晶性宽带隙聚合物在as-cast器件方面具有潜力，为高效厚膜as-cast聚合物器件的材料设计提供新思路。.综上所述，本项目所开展基于稠杂环单元的聚合物材料的合成与光伏性能的研究，表明高迁移率宽带隙材料具备高效as-cast厚膜器件的潜力，与商业化的卷对卷工艺匹配度高，可加速聚合物太阳能电池商业化进程。