基于平面茚并茚二噻吩结构单元的非富勒烯受体材料设计、合成及其光伏性能研究

With the great potential in low-cost, large-area, and flexible device fabrication, bulk-heterojunction organic solars cell have become one of the most promising photovoltaic techniques for effective solar energy utilization. Emerging as a new dawn and exciting researchers in OPV field, non-fullerene electron acceptors have caught intense interests to achieve further breakthroughs of power conversion efficiency. Especially, A (acceptor)-D (donor)-A (acceptor)-type small-molecule electron acceptors featuring an electron-rich IDT core flanked with two electron-deficient moieties have exhibited great potential, which have promoted the OPV performance with high power conversion efficiencies (PCE) over 13%. We recently reported a 5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene-based electron acceptor NITI with a twisted molecular geometry, which was the first example that fullerene-free OSCs achieved a high PCE over 12% without using a IDT core. Based on those encouraging results, in this project we design of a planar indenoindene-based electron acceptor ZITI. The key contents of this project include: (1) Variation of side substituent groups of 5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene to change solution processability, miscibility with donors. (2) Variation of the bridge elemental of 5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene and thiophene to change the optical bandgap of ZITI. (3) Screening the end acceptor groups. By tightly combining material design/synthesis and photovoltaic evaluation, we will be able to screen out high performance acceptor materials.

有机太阳能电池由于其成本低、可大面积制造、可制成柔性器件等优点而备受关注。近几年，基于非富勒烯的有机光伏器件由于取得重大突破而受到人们的重视，尤其是基于引达省(IDT)的稠环受体(A)-给体(D)-受体(A)型受体材料，其光电转化效率已经超过了13%。近期我们报道了基于茚并茚且具有扭曲角的非富勒烯受体材料NITI，该材料为第一个光电转换效率超过12%的非IDT类受体材料。受此工作的鼓舞，本项目中我们设计了一类基于茚并茚二噻吩结构单元全平面的非富勒烯受体材料ZITI。主要内容包括：（1）优化茚并茚的取代基团来调节溶解性以及与给体的混溶性；（2）改变茚并茚与噻吩的桥连元素，进而调节受体材料的带隙；（3）筛选末端拉电子结构单元。紧密结合材料的设计合成与光伏性能评价，我们相信可以筛选出高器件性能的受体材料。

有机薄膜太阳能电池因质轻、柔性、半透明等特点成为太阳能电池研究的热点，尤其近几年非富勒烯受体材料的发现和发展，为有机光伏领域的快速发展提供了新的机遇。申请人在申请项目时，将具有强荧光性质的茚并茚结构单元引入小分子受体材料中设计且合成了新型的受体材料ZITI，在当时取得了超过13%的PCE。受本项目的资助，申请人基于茚并茚结构单元利用不同元素（硫，碳，氮）桥连构建了系列全平面的稠环A-D-A型受体材料ZITI-X，有效的调节了材料的光谱吸收和HOMO能级，随后选择ZITI-C和ZITI-N受体材料，结合聚合物给体J71加工三元器件，通过给、受体HOMO能级差的精细调控，成功将PCE提升到14%以上。选择ZITI-S和ZITI-N受体材料，结合聚合物给体PTQ10加工三元器件，系统的研究了受、给体材料HOMO能级差对有机太阳能电池中电荷产生的影响，结果表明需要约40meV的正的HOMO能级差才能驱动最高效的激子解离，获得最佳的器件性能。对ZITI-N氮上的烷基链进行精细调控，合成了受体材料ZITI-N-CH3，ZITI-N-C8H17和ZITI-N-EH，基于PCE11和ZITI-N-EH的器件在200nm的厚膜下取得了12.36%的PCE。系列工作的科学意义包括：1）设计合成了一系列高性能的受体材料，为有机太阳能的发展提供了新的机会；2）发展了不同杂原子（硫，碳，氮）桥连受体材料，精确的调节材料的能级，为厘清驱动力与器件性能之间的关系提供了合适的示例；3）发展膜厚不依赖的器件为未来器件加工提供了方便。