全共轭聚硒吩嵌段共聚物的合成、相结构调控及器件性能研究

All-conjugated block semiconducting copolymers have gained immense interest because they combine the optoelectronic properties of conjugated polymers with the fascinating self-assembly properties of block copolymers. Compared to the widely studied systems of polythiophenes, polyselenophenes, as well as polyselenophene-based all-conjugated block copolymers have been much less studied. This project focuses on the constructions of a series of polyselenophene-based all-conjugated block copolymers, investigates their phase structures in solution and film states, explores the influences of main/side chain, solvent, additives, aging, thermal and solvent annealing, electric field, etc., on the phase structures and the relationship between microphase separation and crystallization. Moreover, their optoelectronic properties will be systematically studied based on organic field-effect transistors and photovoltaic cells to build up the relationship among their chemical structures, phase structures and device properties. This project will improve the development of polyselenophene-based all-conjugated block copolymers, help us understand how to control their phase structures, and exploit the promising suitable optoelectronic materials.

全共轭嵌段共聚物因其兼具嵌段共聚物的微相分离特性和共轭聚合物的光电性能而备受瞩目。相对于广泛研究的聚噻吩体系，聚硒吩的研究较少，基于聚硒吩的全共轭嵌段共聚物体系的研究更是一个崭新的领域。本项目设计合成一系列结构明确的全共轭聚硒吩嵌段共聚物，研究体系在溶液和薄膜中的相结构，考察主侧链结构，溶剂、小分子添加剂、陈化、热退火、溶剂蒸汽处理及外加电场等因素对其相结构的影响，探究体系微相分离行为和结晶行为的相互作用机理。在此基础上，以有机场效应晶体管和聚合物太阳能电池器件作为最终体现体系相结构与光电性能关系的平台，建立全共轭聚硒吩嵌段共聚物的分子结构-相结构-器件性能之间的关联机制。本项目的开展为推进全共轭聚硒吩嵌段共聚物的合成、掌握其相结构的主要调控规律、开发具有潜在优异性能的光电材料奠定了基础。

相较于研究较多的聚噻吩嵌段共聚物体系，基于聚硒吩的全共轭嵌段共聚物体系的研究非常少。对这一体系的深入研究，不仅可以帮助我们认识聚硒吩体系的微相分离行为和结晶行为，还可以建立聚硒吩体系不同相结构和器件性能之间的关联机制。本项目围绕聚硒吩体系的化学结构-相结构-载流子传输性能这一主线，设计合成了一系列基于聚硒吩的均聚物和全共轭嵌段共聚物，利用热退火和溶剂蒸气退火等，有效调控聚硒吩体系的凝聚态结构包括晶型、结晶结构、微相分离结构等，并将不同相结构和其载流子迁移率相关联。比如，通过对聚（3-己基硒吩）进行热退火和溶剂退火，可以实现聚硒吩晶型I和II之间的多次可逆转变，不同分子量的聚硒吩晶型I的载流子迁移率是晶型II的4-10倍。聚（3-丁基噻吩）-b-聚（3-己基硒吩）两个嵌段的主、侧链结构相似，该体系能够形成共晶并兼具聚噻吩和聚硒吩的优点，其载流子迁移率高出相应的均聚物、共混物和无规共聚物一个数量级以上。通过改变嵌段比例和退火温度有效调控聚（3-己基噻吩）-b-聚（3-丁基硒吩）的结晶结构和微相分离。首次合成了全共轭聚硒吩-聚硒吩嵌段共聚物，探索了聚硒酚/CdSe纳米复合结构的组装和光物理行为等。这些工作的开展，帮助我们更好的认识和调控了聚硒吩体系的分子排列、结晶结构和载流子传输性能，将获得的调控聚硒吩体系相结构的有效策略用于实现其物理性能的提升。