基于不对称喹喔啉聚合物给体的高效非富勒烯太阳电池

Polymer solar cells have bright future with simple fabrication, low cost and lightweight, etc. But the efficiency remains a problem. In recent years, non-fullerene polymer solar cells have surpassed the traditional fullerene based polymer solar cells because non-fullerene acceptors are designed and synthesized towards strong and broad absorption, proper energy levels and good morphology stability compared to fullerene counterpart. This project will focus on asymmetric quinoxaline based conjugated polymer donors with broad absorption, high absorption coefficients and high mobility. And also we will synthesize the non-fullerene acceptors of DAD fused ring core with matched energy level, complementary absorption and compatible morphology. Moreover, we will investigate the relationship between structure, morphology and the photovoltaic properties, at the same time, the interface modification, dynamic and thermodynamics mechanism will be explored. We will try different and new methods to improve the efficiency in fullerene free solar cells. The efficiency is expected to be certified above 15%. These investigations will play an important role in developing the organic/polymer photovoltaic materials and related theories.

聚合物太阳电池具有制备简单，成本低，重量轻及可制备成柔性或半透明器件等优点，这类太阳电池具有重要的应用前景。近年来发展的非富勒烯太阳电池，可克服富勒烯受体的可见光区吸光弱、能级调控困难和形貌稳定性差等缺点，其光电转化效率已经超越了富勒烯太阳电池，受到广泛关注。本项目拟将研究重点放在通过理性设计, 合成同时具有良好吸收和高载流子迁移率的新型不对称喹喔啉共轭聚合物给体，制备DAD稠环核非富勒烯受体，匹配给受体材料，获得高效非富勒烯太阳电池，研究光电转换过程和相关机理。研究结构，聚集态与太阳电池性能的关系，对太阳电池界面修饰，动力学和热力学等机制机理进行研究。对提高非富勒烯聚合物太阳电池效率的新方法和新途径进行探索，预期单层非富勒烯聚合物太阳电池验证效率达到15%。这些研究将对丰富和发展有机/聚合物太阳电池材料，非富勒烯聚合物太阳电池的理论研究和实际应用具有非常重要意义。

聚合物太阳电池具有制备简单，重量轻及可制备成柔性或半透明器件等优点，这类太阳电池具有重要的应用前景。在国家自然科学基金（21875286）的资助下，我们对新型不对称喹喔啉聚合物给体和A-DAꞌD-A受体进行了详细研究，取得了一批重要的研究成果。.重点开展了以下工作：1）在喹喔啉单元上引入非对称芳烃侧链，结合氟化策略，制备了喹喔啉和苯并二噻吩的共聚物。氟代策略显著影响聚合物的能级和吸收，增强分子间相互作用，改善共混膜的结晶度，提高分子取向。基于TPQ-2F/Y6的二元单结器件，实现了16%以上的效率；2）采用在DAꞌD稠环外侧β位引入位阻侧链，增加分子扭转的能量势垒，降低器件能量无序度，合成系列均一分子构象的A-DAꞌD-A型近红外吸收高迁移率的受体（Y11、Y18等），实现器件低能量损失；3）与华南理工大学合作，揭示材料微观性质与器件宏观参数的关系，率先证明高效有机太阳电池体系中除低能量损失外兼顾低能量无序度；4）在2017年本组首次报道的A-DAꞌD-A受体BZIC基础上，进一步优化分子结构合成明星受体Y6，促成现阶段有机太阳电池效率快速提升，目前基于Y6型电子受体单结电池效率达到19%以上；5）提出“A-π-A”分子设计策略，合成了具有确定分子量的准大分子受体。通过调控给受体间相互作用，在获得低能量损失（约0.5 eV）和高能量转化效率（效率大于17%）的同时，进一步提高电池的光热稳定性，为实现高效稳定有机太阳电池提供了重要的受体分子设计策略；6）以降低并五环受体的光学带隙并提高短路电流和效率为目标，将烷氧链取代Y26的烷基链并改变侧链中氧原子的位点，合成系列高效低成本的近红外受体。该工作首次系统探究了烷氧侧链中氧原子位点对A-DAꞌD-A型小分子受体光伏性能的影响，为构筑高效低成本近红外受体分子的设计提供了新思路。.这些研究将对丰富和发展有机/聚合物太阳电池材料，非富勒烯聚合物太阳电池的理论研究和实际应用具有非常重要意义。