集成多个缺电子单元的非富勒烯太阳能电池受体材料的设计合成及其性能研究

The evolution of non-fullerene electron acceptors for organic solar cell has greatly enhanced the PCE of single junction OPV device. Further exploring the cost-effective non-fullerene electron acceptors is crucially important for PCE increasement and device stability enhancement, as well as the industrial application. In this project, enlightened by the success of electron acceptors with a donor coupled with two (A-D-A) or four (A2-D-A2) electron withdrawing units, we plan to synthesize novel electron acceptors (A3-D-A3) by coupling the donor cores with six equivalent perylene diimide or 3-(Dicyanomethylidene)indan-1-one. The electron acceptors with A3-D-A3 configuration could facilitate the electron delocalization that benefits charge separation by reducing the Coulomb attraction of electron-hole pairs, and reduces the charge recombination by increasing charge carrier mobility. Therefore, we will study the impact of electron delocalization on charge separation, carrier mobility and solar cell performance. We hope to find couple of electron acceptors with exceptional performance, and reveal the underlying principles in non-fullerene acceptor material design.

有机太阳能电池非富勒烯受体材料的发展极大地推动了单电池器件效率的提升，继续发展性能优异且价格低廉的非富勒烯受体材料对于有机太阳能电池光电转换效率和器件稳定性的提升及其工业化应用具有重要的意义。本项目拟在A-D-A和A2-D-A2型受体材料的基础上，采用新颖的具有六个反应位点的共轭核与缺电子基团 （苝二酰亚胺，3-二氰亚甲基靛酮）反应，设计合成系列A3-D-A3型受体材料。A3-D-A3型受体材料具有更多的缺电子单元，更有利于电子更大范围的离域，电子离域有利于克服空穴与电子之间的库仑力，提高电荷分离效率；同时有利于提高载流子的迁移率，减少电荷复合。通过新的研究思路合成系列化合物，筛选出高性能的太阳能电池受体材料，同时研究电子离域对太阳能电池电荷分离、电荷传输以及光电转化效率的影响，进一步提高对受体材料分子设计、结构与性能关系等方面的规律性认识。

设计合成的非富勒受体材料如果可以实现电子大范围的离域，则有利于克服空穴与电子之间的库仑力，提高电荷分离效率；有利于提高载流子的迁移率，减少电荷复合。因此本项目通过设计合成缺电子的新型化合物，利用这些化合物设计合成集成多个缺电子单元的小分子受体材料，并研究小分子受体材料中引入多个缺电子单元对薄膜形貌、相分离，以及电荷分离和器件性能的影响。取得的结果如下：（1）通过设计合成集成四个苝二酰亚胺单元的受体小分子及TPB化合物的单晶数据揭示了分子内的电子转移和分子间的电子离域对太阳能电池的激子分离、以及电荷传输具有非常大的影响，该工作为太阳能电池受体材料的发展提供了新的设计合成思路。（2）设计合成了集成六个苝二酰亚胺或者3-二氰亚甲基靛酮单元的受体材料，由于分子结构扭曲较大和构象较多，这些受体材料与给体聚合物共混后的器件性能较差，揭示设计合成刚性的小分子受体材料对提高器件性能尤为重要。（3）设计合成了新型的缺电子化合物NTI，利用NTI构筑非富勒烯受体材料效果很差，然而利用该单体发展了高性能（>17%）且批次稳定性好的聚合物给体材料PNTB-2T，说明NTI是制备高性能聚合物给体材料极具潜力的聚合单体。