异构纯多加成富勒烯的定位合成及其在高性能太阳电池材料方面的应用

Fullerene derivatives are superior electron-accepting materials extensively used in third-generation solar cells. Recent years, acceptor materials based on fullerene multi-adducts have received considerable attention due to their high LUMO energy levels rendering solar cells with high open-circuit voltages. However, numerous regioisomers in fullerene multi-adducts lead to increased density of trap states in the material, severely degrading electron mobility. This causes diminished short-circuit current and fill factor of solar cells. The latest theoretical and experimental studies have shown that Isomerically Pure Fullerene Multi-Adducts (IPFMA) possess not only high LUMO levels but also high electron mobility and thus are promising acceptor materials. However, problems in synthesis of IPFMA have not yet been solved. This program is aiming at developing two site-selective synthetic methods, the “tether-directed control” and the “template-assisted control”, toward IPFMA, and developing high-performance acceptor materials based on these fullerenes. Through this research, we will achieve the efficient synthesis of novel IPFMA acceptors with high LUMO levels and high electron mobility pushing the power conversion efficiency of solar cells forward.

富勒烯衍生物作为优良的电子受体材料在第三代太阳电池中得到广泛应用。近年来，多加成富勒烯受体材料由于其较高LUMO能级使得太阳电池获得高开路电压而受到极大关注。然而，众多异构体的存在使得受体材料陷阱态密度增加，电子迁移率显著下降，限制了短路电流和填充因子的提高。最新理论和实验研究表明，只含单一异构体的多加成富勒烯衍生物（异构纯）不仅具有高LUMO能级还拥有高电子迁移率，作为受体材料应用于太阳电池潜力巨大。但其合成方面难题至今尚未解决。本项目拟开展“导向链定位”与“模板定位”两种通往异构纯多加成富勒烯的合成方法研究，并在此基础上开发高性能异构纯多加成富勒烯受体材料。通过本研究，有望实现异构纯多加成富勒烯的高效制备，这些富勒烯材料具有高LUMO能级和高电子迁移率，期望能够显著提高太阳电池能量转化效率。

在国家自然科学基金（21572041）的资助下，围绕异构纯多加成富勒烯的定位合成和应用开展了系列研究，同时在应用于有机太阳电池的非富勒烯受体材料以及共聚物给体材料方面开展了研究，具体如下： .1. 发展了多加成富勒烯定位合成的方法，通过“预加成定位”合成法实现了异构纯双加成富勒烯受体材料的制备，在有机太阳电池中最高实现8.11%的能量转换效率，为目前基于双加成富勒烯受体电池的最高纪录；.2. 开展了具有高吸光能力的碳氧桥非富勒烯受体材料研究，其中八环碳氧桥非富勒烯受体COi8DFIC具有非常强的近红外吸光能力，起峰吸收达1000nm，COi8DFIC助力单结有机太阳电池效率首次突破14%，助力叠层电池效率首次突破17%，是目前明星受体材料之一，同时围绕COi8DFIC，我们与多个课题组开展了三元电池、形貌调控以及光电探测等合作研究。.3. 开展了D-A共聚物给体材料的设计合成，合成了多种高性能的D-A共聚物给体材料，其中基于稠环硫内酯单元的宽带隙给体D16在单结电池中实现16.72%的效率，第三方认证效率16.0%，是目前性能最好的给体材料之一。.上述工作为新型有机光电材料的开发，尤其是应用于有机太阳电池的高性能材料方面提供了创新思路，部分研究成果得到了广泛关注，产生了较大的学术影响力。