新型缺电子单元设计合成及其在非富勒烯有机光伏器件中的应用基础研究

Developing highly efficient non-fullerene acceptor molecules is a critical issue in organic photovoltaic field. This project devotes to developing novel electron-deficient units containing boron-nitrogen (B-N) coordinative bonds, constructing small molecule acceptors by using those units, and probing their potential for photovoltaic applications. First, referring to the two-dimensional conjugated structures, e.g., perylene and coronene, a series of novel electron-deficient units containing B-N bonds in backbones and substituted by electron-drawing functions will be designed and synthesized. The optoelectronic properties will be fully characterized. Then, energy levels, absorption spectrum, and aggregation properties will be further adjusted by connecting these units to a three-dimensional diphenyl bridge, obtaining a series of non-fullerene acceptor molecules. Finally, by selecting suitable donor materials, devices based on these non-fullerene acceptors will be fabricated and tested. This project is proposed to develope a series of novel electron-deficient units containing B-N bonds, establish the structure-property relationships, improve the power conversion efficiency, and provide theoretical basis and technical support for design of non-fullerene acceptor molecules.

开发高效非富勒烯小分子受体材料是目前有机光伏领域一个关键基础科学问题。本项目致力于开发含硼-氮配位键的新型缺电子单元，并用于小分子受体材料的构筑，探索其在有机光伏领域的应用前景。首先，以现有的二维大共轭结构（如苝、蔻等）为原型，拟设计合成一系列骨架含硼-氮配位键、侧位吸电子基团取代的新型缺电子单元。并对这一系列新型单元进行光电性质表征。然后，拟将新型缺电子单元与一类三维立体构型的六联苯结构共价连接，进一步调控其能级、吸收光谱和聚集性质，得到一系列含硼-氮配位键的小分子受体材料。最后，选择合适的给体材料与其匹配制备光伏器件，研究光伏性能。通过本项目研究，开发出一系列含硼-氮配位键的新型缺电子单元，建立材料构效关系，提高光伏转换效率，为进一步设计高效非富勒烯受体材料提供理论和技术支持。

有机太阳能电池中的非富勒烯受体材料有小分子和聚合物两大类。其中，小分子受体材料得到广泛研究且效率已经突破17%。而目前基于聚合物为受体的光伏器件最高效率仅为11%左右。且高性能聚合物受体材料十分匮乏。如何通过分子设计，开发新型高性能聚合物受体材料是目前该领域面临的瓶颈问题之一。该项目围绕含B←N键新型聚合物受体材料的设计合成及其器件应用，开展了三方面的工作：首先，研究了分子间B←N配位对共轭分子光电性质的影响；进而，将B←N嵌入多环共轭结构中，合成了一系列新型缺电子单元，并对其单晶结构、光物理、电化学等性质进行表征；最后，利用这类含B←N键的缺电子单元构筑了一系列聚合物受体材料，并用于全聚合物有机太阳能电池，系统研究了材料的构-效关系。通过以上三方面的研究，得到了如下研究结果：在含N的共轭分子中，利用Lewis酸-碱作用与含B的化合物如BBr3、BF3和B(C6F5)3等配位，可以对共轭分子的吸收光谱、光带隙和能级进行精细的调控。开发了一类含B←N键的新型缺电子单元BNIDT。该单元具有良好的骨架平面性、强电子亲和性、宽吸收和低能级。利用该单元构筑的一类新型聚合物受体BN-2fT表现出8.78%的光电转换效率，其中填充因子达到70.4%。该效率刷新了含B←N键聚合物受体材料的最高效率。且该聚合物为除NDI类聚合物以外唯一可以实现70%以上填充因子的材料，是极具发展潜力的一类聚合物受体材料。在此基础上，首次研究了聚合物受体材料氟化和氯化对其光伏性能的影响，建立了系统的构-效关系。该项目开发了一系列高性能含B←N键聚合物受体材料，拓展了聚合物受体材料库。项目建立的材料构-效关系对进一步设计高性能聚合物受体材料具有重要的参考意义。