基于噻吩并噻咯的共轭聚合物的设计、合成及其在太阳能电池领域的应用

Conjugated polymers containing silole unit have shown excellent performances in the field of organic photovoltaic (OPV). In this project, three types of the thienosilole based conjugated polymers were designed for the OPV usage. The first type called as “quinoid polymer”, was made from 7,7-dimethyl-dithieno[2,3-b:4'',3''-d]silole or 1,1-dimethyl-thieno[3,4-b]silole building blocks. The second one was about the donor-acceptor (D-A) type conjugated polymer, which used the above thienosilole units, too. The third type material had the multi-fused structures containing silole units in the backbones. As for the first two type polymers, the distribution of the electrons, the aggregation morphology of the polymer backbones and the electrochemical properties will be studied when the thienosilole units were introduced to the material system. As for the third type polymer system, the relationship between the power conversion efficiency and the aggregation of the polymer chains, the π-π interaction between the units in the backbone and the co-planarity will be studied. Meanwhile, we want to study the new polymerization methods during the polymer synthesis process in this project.

含噻咯的聚合物材料在太阳能电池中显示了其优异的光电转换性能，本项目将设计合成三类应用于太阳能电池的含有噻吩并噻咯单元的新型共轭聚合物材料。一类为利用7,7-二甲基-二噻吩并[2,3-b:4'',3''-d]噻咯、1,1-二甲基-噻吩并[3,4-b]噻咯衍生物制备得到的“醌型”共轭聚合物材料。第二类为利用以上噻吩并噻咯结构单元的衍生物制备得到的D-A型共轭聚合物材料。第三类为含有噻咯的稠环单元的共轭聚合物材料。对第一、二类材料，将主要考察噻吩并噻咯结构单元的引入对该类型聚合物主链电子云分布、聚合物链段聚集形态以及材料电化学能级对太阳能电池器件的光电转换效率的影响。对第三类材料将主要考察稠环单元的引入对聚合物主链的聚集形态、结构单元间的π-π相互作用以及主链共平面性的提高与太阳能电池器件的光电转换效率之间的内在联系和规律。同时，探索新型聚合方法对以上体系的适用性，以获得简便、高效的聚合物制备方法。

噻咯以其独特的电子结构成为一类重要的建筑模块，两个外环σ键的σ*轨道与丁二烯部分π*轨道相互作用形成σ*-π*共轭，使得噻咯具有较低的还原电位和 LUMO能级、较强的电子流动性和电子亲合势，越来越多的基于噻咯的共轭聚合物、小分子材料被用于OLEDs、OPVs和OTFTs等领域，但是噻咯建筑单元类型少之又少。本研究工作中根据项目计划书：1. 发展了新型非对称型二噻吩并噻咯的高产率合成方法；2. 通过引入不同的修饰吸电子基团，获得了一系列具有不同特性的二噻吩并噻咯衍生物单体并通过共聚获得了批新型的“醌型”共轭聚合物材料；3. 基于“烷基链工程”，筛选出了针对该体系性能较优的烷基取代基团；4. 通过三元共聚实现了对聚合物能级、光谱的有效调节。.此外我们拓展了三个新材料领域的研究工作：1. 从事了新型二苯并吡喃共轭聚合物的研究，获得了一批高光电转换效率的材料；2. 从事了基于四噻吩乙烯、四噻吩并萘以及新型四噻吩八元环共轭材料的设计与合成；3. 首次从事了非对称二噻吩并芳环类的化合物的制备研究，丰富了有机电子学中的建筑模块；并在此工作的基础上2014年获批一项国家自然科学基金项目。