基于新型多氮杂稠环受体光伏聚合物的设计合成及其叠层器件性能研究

Tandem device is the world record holder of the polymer solar cells (PSCs), and it is promissing to realize the commercialization of PSCs in the near future. However, the reasearch work of tandem device is still in its start-up step and the large band-gap polymer donors with high performance are very rare, which seriously hinders the development of PSCs. In this project, some kinds of multiaza-fused ring acceptor blocks, such as multi-quinoxaline and multi-benzotriazole, will be designed and synthesized to contruct efficient large band-gap conjugated polymer donors. These materials will extend the types of large band-gap polymers and further raise the efficiencies of tandem devices. We will also research systematically the effect of ring sizes, hetero atoms, functional side chains on the basic physical properties and photovoltaic properties and their active mechanisms. This will resolve the trade-off of the large band gap and the optical absorption, carrier mobility and photovoltaic properties in large band-gap polymers. Finally, we will select the good polymer donor materials to fabricate single-junction conventional devices, single-junction inverted devices as well as multi-junction inverted tandem devices. We believe the high efficiency will be obtained after the optimization of the fabrication conditions. When this project has been executed, the efficiency will be expected to exceed 11%, which can further promote the development of polymer solar cells.

叠层器件是目前聚合物太阳能电池效率的保持者，极有希望实现商业化。但是叠层器件的研究正处于起步阶段，用于叠层器件的高性能宽带隙聚合物给体材料寥寥无几，这严重阻碍了聚合物太阳能电池的发展。本申请拟设计合成稠环喹喔啉、稠环氮三唑等几类多氮杂稠（杂）环受体结构，选择合适的给体单元，构筑高性能的宽带隙聚合物给体材料，拓展面向叠层器件应用的宽带隙聚合物给体材料的种类，进一步提升叠层器件的效率。本项目将系统研究多氮杂稠（杂）环受体结构中稠环核心大小、杂原子类型、侧链功能基团等对于材料基本物理性能及光伏性能的影响规律和作用机制，寻求解决保持材料宽能带隙，同时兼顾光谱吸收、载流子迁移率和光伏性能的关键科学问题。筛选综合性能优良的聚合物给体材料制作单结常规器件、单结反向器件、双结和多结反向叠层器件，优化制作条件，获得器件的高效率。本项目如果成功实施，预期器件效率可超过11%，进一步推动聚合物太阳能电池的发展。

本项目的研究工作从设计合成相对复杂和简单的多氮杂环受体结构出发，并以此构筑了一系列高性能的宽带隙聚合物给体材料，拓展了面向叠层器件和多元共混器件的宽带隙聚合物给体材料的种类，进一步提升了光电转换效率。结合给体构筑单元和侧链工程等分子设计策略，我们共设计合成了14个系列，50余种聚合物给体材料，在提高器件光电转换效率的同时，大大降低了器件的能量损失，多个结果在报道时处于国际领先水平。在完成本项目任务的基础上，我们从小分子的基本分子结构设计和超分子相互作用诱导等出发，成功设计合成了4个系列，10余种高效的小分子给体材料，在富勒烯小分子太阳能电池中获得了很好的效果，部分研究结果目前仍处于富勒烯小分子太阳能电池的最高水平。在小分子受体材料研究方面，我们一方面围绕PDI的性能改进做出一系列创新性的工作，解决了PDI类自聚集和材料高电子迁移率之间的矛盾，将PDI类小分子受体材料的光电换转效率提升到11.01%，是目前PDI类小分子材料的最高光电转换效率。另一方面，我们自主发展了一类宽带隙小分子受体材料结构新体系，即DA1A2体系，并将这类材料的效率提升到10%以上，完全可以与目前主流的窄带隙小分子受体材料的性能相媲美。在阴极界面材料方面，我们首次澄清了极性基团对阴离子的移动性对于聚合物太阳能电池阴极界面修饰性能的影响。以此为基础设计合成了一系列以不同尺寸大小的石墨烯量子点、8-羟基喹啉铝等为核心，外围接枝氨基极性基团的具有良好厚膜效应的阴极界面材料。我们还首次发现共轭杂环侧链与溴铵极性基团存在很强的自掺杂效应，能够进一步提升材料的电子传输性能，进而设计了一系列高电子迁移率和优良界面修饰性能的阴极界面材料。相关研究结果共发表论文42篇，SCI收录41篇，IF超过10的有25篇。其中13篇被Materials Views China等亮点介绍，8篇入选ESI高被引论文或ESI热点论文，10篇入选发表期刊的热点论文。同时申请3项中国发明专利。