基于多环梯形芳烃构筑高效聚合物太阳能电池材料及其光伏性能研究

Polymer solar cells (PSCs) have attracted an increasing amount of attention and become a hot research topic in the whole world due to their potential for lightweight, low cost, and the roll-to-roll process for making flexible large area devices. However, it is lack of systematical and deep investigation on the design of high-performance polymer photovoltaic materials and the relationships between the structures of polymers and photovoltaic properties. In view of this, with the help of computer-aided molecular designing system and integrated design strategies of high-performance polymer materials, a series of novel donor-acceptor (D-A) conjugated copolymers based on polycyclic ladder-type arenes (phenanthrodithiophene, silicon-bridged ladder-type arenes, conjugated side chains containing ladder-type arenes) are designed and synthesized for PSCs. The molecular structure of polymers will be optimized by tailoring the chemical structures of electron-donating and electron-withdarwing units. Then, the low badgaps, broad and strong absorption properties, suitable fronitier molecular orbital energy levels, high hole mobilities, excellent solubility and miscribility should be achieved. Finally, high-performance PSCs based on these polymers are expected by the further optimization on aggregation and morphology of the active layer in photovoltaic devices. We hope the key issue about the relationships between molecular structure and optoelectronic properties could be well settled by this systematical and deep research. Our research work will be expected to explore a useful and feasible guidance and reference for the design, synthesis and optimization high-performance PSCs and provide the theoretical and experimental basis.

聚合物太阳能电池具有质量轻、价廉和可制备大面积柔性器件等优点，成为当前新能源材料领域的研究热点。针对高效聚合物太阳能电池材料的构筑和聚合物分子结构-光伏性能关系方面的研究还不够深入的问题，本项目在前期工作的基础上，综合运用多种分子设计策略，借以计算机辅助分子设计技术，拟设计合成系列基于菲并二噻吩、硅桥连多环梯形芳烃、含芳烃和四硫富瓦烯共轭侧链的多环梯形芳烃类D-A型共轭聚合物。通过对共聚物的化学结构剪裁，优化分子结构，获得低带隙、宽吸收光谱、合适前线分子轨道能级、高载流子迁移率和良好溶解性的聚合物太阳能电池材料；再结合光伏器件活性层聚集态结构优化最终获得高效聚合物太阳能电池。通过本项目的研究，将加深对聚合物分子结构-光伏性能关系方面的认识，期望能探索出一种从材料设计合成到器件性能优化获得高效聚合物太阳能电池可行性的新方法和新思路，为获得高能量转换效率的聚合物太阳能电池提供理论和实验依据。

基于共轭聚合物材料的本体异质结型聚合物太阳能电池（PSCs）是当前新能源和新材料领域的研究热点之一。近年来，随着新型高效非富勒烯小分子受体（SMAs）材料的不断涌现和光伏器件工程的不断优化，基于SMAs的单结PSCs的能量转换效率（PCE）目前已经超过18%，显示出巨大的研发和应用前景，从而使该领域的研究备受青睐。本项目在执行期间，结合PSCs领域新的发展动态，围绕“基于多环梯形芳烃构筑高效聚合物太阳能电池材料及其光伏性能研究”这一核心课题，主要开展以下三个方面的研究工作：（一）聚合物给体材料的合成及其构筑的PSCs光伏性能研究。设计并合成了近30个新型的基于多环梯形芳烃（TPTI、BDT、DIP、BTAP、STF等）的聚合物给体材料并构筑了相关的二元/三元PSCs光伏器件，其中电池最高的PCE达到7.92%。（二）有机小分子给体材料的合成及其构筑的太阳能电池光伏性能研究。设计并合成了近10个新型的基于多环梯形芳烃（STF、DIP等）的有机小分子给体材料，并构筑了相关的太阳能电池光伏器件，其中电池最高的PCE达到6.68%。此处值得注意的是STF和DIP两个多环梯形芳烃单元在构筑高效的聚合物和小分子给体/受体材料方面体现出多种用途的特性。（三）非富勒烯小分子受体材料的合成及其构筑的PSCs光伏性能研究。设计并合成了近10个新型的基于多环梯形芳烃（DTCF、IDTV、IPY、STF等）的有机小分子受体材料，并构筑了相关的非富勒烯类二元/三元PSCs光伏器件，其中电池最高的PCE达到10.41%。鉴于我们获得了基于所合成的小分子受体材料的高效、厚膜和大面积的三元电池以及非卤溶剂加工条件下的高效PSC光伏器件，表明所获得的小分子受体材料及其相应光伏器件在有机/聚合物太阳能电池未来商业化方面具有自己的优势和较大的潜力。目前为止，本项目共发表SCI收录研究论文14篇，其中JCR分区1区的11篇，会议论文3篇，受邀作学术报告2次，申请发明专利5篇；培养硕士研究生18人，其中已毕业10人。