新型高迁移率小分子受体的设计合成与光伏性能研究

Organic solar cells (OSCs) have attracted much attention due to the advantages of light-weight, flexibility, large-area fabrication and so on. Recently, the power conversion efficiency (PCE) of single-junction OSCs has achieved over 14% due to the rapid development of small molecule acceptors, and it exhibits tremendous application potential. However, most of the reported small molecule acceptors suffer relatively low electron mobility, which leads to the relatively low external quantum efficiency (EQE) and fill factor (FF), and limits its further improvement in PCE and practical application. To address this issue, we put forward the proposal to achieve high-mobility small molecule acceptors via modifying with alkyl side chain and introducing heteroatom. We will replace aryl side chains of the small molecule acceptors with alkyl side chains and further substitute the sp3 C atom in the conjugated skeleton with Si or Ge to decrease the steric hindrance, facilitate molecule packing, improve electron mobility, and reduce charge recombination, thus enhancing short-circuit current density (Jsc) and FF, and achieving breakthrough in PCE. This project will be carried out from two aspects as follows: (1) the development of alkyl-side-chain small molecule acceptors and their photovoltaic performance; (2) the development of small molecule acceptors with Si or Ge atom and their photovoltaic performance. Based on this work, we will develop a series of high mobility and high performance small molecule acceptors and promote the development of the active layer materials in OSCs.

有机太阳能电池具有质轻、柔性、易于大面积制备等优点，一直以来备受关注。最近基于小分子受体的飞速发展，单节电池效率已超过14%，展现出巨大的应用潜力。然而，已报道的小分子受体迁移率偏低，导致电池外量子效率和填充因子偏低，限制其效率进一步提高和实际应用。为解决这一问题，本项目提出采用烷基侧链修饰与杂原子引入制备高迁移率小分子受体的思路。将小分子受体的芳基侧链替换为烷基结构，并将共轭骨架中sp3杂化碳原子替换为硅、锗原子，减小空间位阻，促进分子堆积，提高电子迁移率，降低电荷复合，从而提高短路电流和填充因子，实现电池效率的突破。本项目拟开展以下两方面研究：（1）新型烷基侧链小分子受体的开发与光伏性能研究；（2）含杂原子的小分子受体的开发与光伏性能研究。通过实施本项目，有望获得一系列高迁移率、高效率的小分子受体，推动电池材料的发展。

有机太阳能电池具有质轻、柔性、易于大面积制备等优点，一直以来备受关注。近年来，基于小分子受体的飞速发展，单节电池效率快速提升，展现出巨大的应用潜力。然而，已报道的小分子受体迁移率偏低，导致电池外量子效率和填充因子偏低，限制其效率进一步提高和实际应用。为解决这一问题，本项目提出采用烷基侧链修饰等方式制备高迁移率小分子受体，以实现电池效率的大幅度提升。在该项目的支持下，项目负责人开展了如下工作：1）设计合成了一系列不同侧链长度的小分子受体，调控小分子受体的分子堆积及与给体材料的相互作用，优化的活性层形貌，实现高的电子迁移率，从而显著提高电池的短路电流与填充因子，最终2F-C8获得最高效效率12.28%，论证了延长小分子受体侧链的的双刃剑效应，为侧链的设计与选择提供参考；2）设计合成了新型并十一环给电子单元，并制备了两种小分子受体：含二维共轭侧基的IUIC-T与无共轭侧基的IUIC-O。研究发现，二维共轭侧基有效地改善了分子间相互作用，使IUIC-T器件活性层相分离更精细，提高了分子堆积的有序性，降低了器件的非辐射复合能量损失。基于IUIC-T的电池获得较高的效率13.05%；3）采用扩环策略合成了小分子受体IDCIC。将它与宽带隙聚合物给体（FTAZ）匹配，其电池能量转换效率分别为达13.58%。此外，项目负责人从材料设计、器件物理、能量损失、电池稳定性等方面综述了有机太阳能电池方面的最新进展，为后续研究提供指导。项目执行期间，共发表学术论文5篇，培养研究生2名，在国内学术会议做邀请报告2次，较好的完成了预期目标。