带有芳基侧链的平面苝四酰亚胺稠环体系及其在有机光伏器件中的应用

This work will develop a new series of planar fused perylene diimide materials with bulk aryl sidechains, including small molecules and polymers, which are able to be applied as acceptors in organic solar cells. During the process of film formation, the rigid fused skeleton significantly reduces the reorganization energy, resulting in better molecular packing which is beneficial for the improvment of electron mobility. Meanwhile, the steric hindrance of aryl sidechain will overcome the formation of microscale aggregates which tends to lead to severe phase separation in blend film. Therefore, a bicontinuous network of donor and acceptor materials is allowed to be formed so that both of charge separation and transport are improved, leading to promising power conversion efficiency in bulk heterojunction solar cell. Futhermore, the instrict relationship between chemical structure and material property as well as the device performace will be investigated to explore the principle for the molecular design of acceptors.

本项目将发展一类新型的带有大位阻芳基侧链的平面苝四酰亚胺稠环体系，然后将含有这类稠环体系的小分子和聚合物作为受体材料，用于有机太阳能电池器件。稠环体系刚性强，成膜过程中分子构型变化小，降低了材料共混的重组能，增加了分子的有序度，有利于提升材料的电子迁移率。另一方面，引入芳基侧链可以增加分子的立体位阻，抑制分子间的过度堆积，缓解共混体系中大尺度的相分离。以上优势将使得这类新的受体材料与给体材料混合制成的本体异质结器件具有双连续网状结构，达到光生激子分离成自由电荷与电荷在器件中有效传输收集的平衡，实现优秀的光电转换效率。对该类材料的化学结构与器件性能之间的构效关系的研究将有助于探索出受体材料分子设计的普适性规律。

苝酰亚胺（perylene diimide, PDI）是一类吸光强，电子迁移率高，热学和化学稳定性好的材料，已被广泛应用于有机太阳能电池之中。但是，苝酰亚胺本身具有刚性的共轭平面结构，造成过度的一维堆积，与其他给体材料共混性不好，制备的活性层相分离严重，限制了电池的光电转化效率。针对这一挑战，本项目立足于发展含有苝酰亚胺的稠环类化合物，并通过大位阻的芳基侧链等取代基团来调节分子的立体构型，保证材料分子既有较大的共轭平面，又不会过度的自我堆积，实现材料结晶性和共混性的平衡。取得的重要研究成果主要包括：1）设计合成了一系列的全稠环型苝酰亚胺材料。芳基侧链的引入不但阻止过度的一维堆积，而且通过分子间作用力成功地调节了材料的堆积模式和强度。随后，进一步在苝酰亚胺上引入氟原子，利用氟原子之间的静电排斥力，改变共轭骨架的立体位阻，基于该材料的器件光电转化效率达到9.05%，为含氟材料的设计提供了新的思路。2）将4个苝酰亚胺单元同时引入稠环体系，通过控制取代基团是否关环来调整材料分子的空间构型。基于稠环取代基团的苝酰亚胺材料获得了更优异的光伏性能，证实了稠环构型有利于降低分子的重组能。多取代的稠环型苝酰亚胺提高了多维度的电荷传输。3）将稠环型苝酰亚胺引入受体-给体-受体型（A-D-A）分子结构中，获得了一系列中带隙材料。这类材料的吸光与宽带隙给体和低带隙受体材料互补。基于该类材料作为第三组分制备的三元有机太阳能电池器件，展现了14.56%的光电转化效率，经中国计量科学研究院认证，其效率仍保持在14.2%，该效率是目前全小分子有机太阳能电池已报道的最高值，为小分子和三元太阳能电池提供了了新的策略。4）制备了含有苝酰亚胺稠环单元的共轭聚合物，该类聚合物显示了强的吸收和适中的能级。利用聚合物先溶胀再溶解的特性，采用分步旋涂的方法，获得了共混均匀的活性层，效率达到7.15%，为共混旋涂器件的两倍，为全聚合物有机太阳能电池的材料设计与器件制备提供了新的途径。