非富勒烯n-型半导体材料的设计合成及其在有机太阳能电池中的应用研究

Organic photovoltaics (OPV) is the 3rd generation photovoltaics technology with promising properties such as low cost, flexibility, light weight, transparency and large-area manufacturing compatibility. Polymer solar cells based on low bandgap conjugated polymers as electron donor materials blended with fullerene derivatives, such as PC71BM, as an electron acceptor material are the most commonly used materials pairs in OPV and have achieved power conversion efficiency of >10%. Although fullerene derivatives are the most efficient acceptor materials investigated so far for OPV, they are prone to form bisadduct under irradiation, leading to dramatically lowered electron charge mobility thus significant reduction of device power conversion efficiency. This process is believed to be one of the possible reasons for the poor photostability of OPV devices. Another drawback for fullerene derivatives is the weak light absorption in the visible region, which limits the further enhancement of OPV performance based on fullerene derivatives. In order to overcome the two issues associated with acceptors used in OPVs, we propose to develop a series of non-fullerene based acceptor materials with high electron charge mobility. Through optimizing the backbone and side chains of the material structures, the energy levels of the acceptor materials will be fine tuned. In addition, the acceptors will form appropriate domain size of bicontinuous network structures in the blending films with donors. We believe this research will significantly push the photostability and device efficiency of OPV technology.

相对于无机太阳能电池，有机光伏技术具有成本低、可快速大面积制造、可使用轻质柔性基板、环境友好等诸多优点。在过去几年，有机光伏的研究取得了突破性的进展，使用低带隙施体材料与富勒烯类小分子受体材料的器件光电转换效率提升到了10%以上。然而作为受体材料的富勒烯类分子因为在光照下容易形成二聚体，导致器件效率的迅速衰减，成为有机光伏器件稳定性差的一大可能主因。同时，因为富勒烯类分子的光吸收效率低及能级可调性差而成为限制光伏器件效率提升的障碍。为了克服富勒烯类分子这些缺点，该项目计划设计合成一系列具有高的电子迁移率的非富勒烯类受体材料。通过优化分子的主链及侧链结构，调控受体材料与施体材料共混薄膜的纳米相分离，实现尺度适当的薄膜体异质结结构。利用这类材料优异的光稳定性以及能级可调控性，同时解决有机光伏器件的稳定性与效率两大难点，促进有机光伏的发展。

相对于无机太阳能电池，有机光伏技术具有成本低、可快速大面积制造、可使用轻质柔性基板、环境友好等诸多优点。在过去几年，有机光伏的研究取得了突破性的进展，使用低带隙施体材料与富勒烯类小分子受体材料的器件光电转换效率提升到了10%以上。然而作为受体材料的富勒烯类分子因为在光照下容易形成二聚体，导致器件效率迅速衰减，成为有机光伏器件稳定性差的一大可能主因。同时，因为富勒烯类分子的光吸收效率低及能级可调性差而成为限制光伏器件效率提升的障碍。为了克服富勒烯类分子这些缺点，该项目设计合成了一系列具有高的电子迁移率的非富勒烯类受体材料，包括聚合物受体材料及小分子受体材料。.为了实现高性能的非富勒烯n-型半导体材料并用于有机太阳能电池，此课题主要是在聚合物受体和小分子受体进行分子设计并研究构效关系。在聚合物受体方面的研究，一方面是基于对基于NDI的聚合物，一是通过调节侧链的组分比例，从而调节材料的自组装能力、结晶性和电荷传输能力，实现器件性能的提高。二是采用多组分聚合合成材料，其中通过各组分不同比例调节材料的光吸收、能级、自组装能力和形貌，实现器件性能的提高。另一方面是基于PDI的聚合物，选用不同的给体单元进行共聚，合成一系列的光电性能可调、能级合适、成膜性优异并可与给体材料形成均匀的纳米分相的电子传输材料。.在小分子受体方面的研究，合成了基于PDI的A-D-A型的线性小分子受体材料以及一系列3D结构的多臂小分子受体材料。多臂小分子受体材料采用不同的核结构与包括DPPDCV以及PDI等不同臂形成的3D结构。采用这种非平面的3D的杂环结构构建小分子受体材料可以实现类富勒烯的各向同性的电子传输。