新型聚合物太阳能电池材料的合成及性能的超分子调控

The traditional conjugated polymers have two insolvable problems of unmatched spectral response and low carrier mobility， which limits the commercial application of polymer solar cells. In this project, the combined concepts of non-covalent bonded stress and low band gap are going to be introduced in the design course for preparation of polymer solar cell materials with continously ordered phases.The properly chosen donor-accepter conjugated structures can lead to low band gaps, which is helpful for efficient absorption of sunlight. The directional non-covalent bonds can stress the π-π interactions to force the conjugated units to form "face to face" stacking, which can improve the carrier mobilities of the materials. This type of materials combine the advantages of small molecules, polymers and supramolecules, including defined molecular structure, high purity,good ordered phases and easy fabrication of flexible devices by ink-jet printing. At the same time, the variety and flexibility of donor-accepter structures and non-covalent bonds can help us to obtain the basic laws of the molecular structures and properties, which can also give the theoretical guidance for developing novel and efficient polymer solar cell materials. This project will resolve the problems of narrow spectral absorption and low carrier mobility of the present polymer solar cell materials,expand the design patterns and promote the development of large area and flexible devices.

传统共轭聚合物具有不匹配的光谱响应和低的载流子迁移率，限制了聚合物太阳能电池的商业化进程。本项目拟在材料制备中引入非共价键胁迫π-π相互作用和低能隙协同构筑连续有序相聚合物太阳能电池材料的设计理念。设计适当的给体-受体共轭结构可以满足材料的低能隙，实现对太阳能的有效吸收；选择方向性的非共价键通过胁迫作用实现共轭结构单元的"面对面"π-π堆积，保证材料的高迁移率。这类材料结合了小分子、聚合物和超分子材料的优点，具有分子结构明确、材料纯度高、可形成连续有序结构、易于喷墨打印制作柔性器件等特点。同时，D-A结构单元和非共价键的多样性和灵活性也利于我们通过详细的研究获得此类材料结构和性能方面的基本规律，为发展新颖高效的聚合物太阳能电池材料提供理论指导。本项目有望解决传统共轭聚合物材料吸收光谱窄和载流子迁移率低的问题，拓展现有聚合物太阳能电池材料的设计模式，推动可喷墨打印的大面积柔性器件的发展。

传统共轭聚合物光伏材料已无法解决其光谱响应不匹配和载流子迁移率低的问题，限制了聚合物太阳能电池的商业化进程。在本项目中，我们从材料的角度出发，在材料设计中引入多重超分子作用力，在同时保持材料低能隙的同时，通过其协调作用胁迫聚合物的主链的面-面堆积，进而构筑具有良好光谱吸收的连续有序相聚合物太阳能电池材料。我们通过以下途径达到了预期的目标：（1）通过设计在给、受体骨架上引入能形成氢键的氟原子、羰基等结构，诱导聚合物主链间的强相互作用；（2）通过拓展给、受体骨架的大π平面，诱导聚合物主链间的π-π相互作用和偶极-偶极相互作用；（3）通过动态的超分子作用力形成超分子聚合物，实现共轭结构单元的面-面堆积的胁迫作用和主动调节。我们设计合成了21种含多重超分子作用力的共轭聚合物或超分子聚合物，研究表明选择适当的给、受体共轭结构可以满足材料低能隙的同时，多重超分子协调作用的构建改善了聚合物主链的有序堆积，提高了载流子迁移率。同时超分子作用力的引入改善了聚合物材料的结晶性，有利于其共轭聚合物活性层的纳米相分离。所制备的聚合物材料中，用二噻吩并环戊烯为给体单元，双氟代苯并噻二唑为受体单元，利用三联吡啶-钌配位键构筑的超分子聚合物材料，其光电转换效率为2.66%，是目前超分子聚合物中的最高值。基于烷硫基取代的苯并二噻吩为给体，单氟代苯并氮三唑为受体单元，合成的D-A型共轭聚合物材料。由于S-S相互作用和F-H氢键的引入，大大改善了材料的性能，单节器件的光电转换效率达到7.74%，双节叠层器件的效率达到9.40%，是目前聚合物本体异质结太阳能电池的最高值之一。本项目的实施验证了本项目申请时提出的研究思路，获得了有意义的研究结果，对设计高效率的聚合物太阳能电池给体材料提供了重要的指导意义，有望推动聚合物太阳能电池的商业化进展。相关研究结果在JACS等高水平的期刊上发表SCI论文9篇，撰写学术专著章节1章。