吡咯并吡咯二酮类聚合物受体材料的合成及其在全聚合物太阳能电池中的应用

In recent years, Polymer-polymer solar cells based on conjugated polymers both as electron donor and acceptor have attracted much attention due to vast selection of acceptor materials and device stability, which is beneficial for their industry application. While conjugated donor polymers have been fully explored, study of conjugated acceptor polymers is limited. Diketopyrrolopyrrole (DPP) based polymers have shown good crystallinity and high electron mobilities, indicating the potential to be applied as electron acceptor in polymer solar cells. In this project, new DPP-polymers as electron acceptor will be explored with the consideration of energy level and phase separation, including: 1) Systemically design DPP-monomers bridged with electron withdrawing units; 2) introduction of electron deficient building blocks to realize low lying of HOMO and LUMO level; 3) tuning the phase separation by hydrophilic or hydrophobic side chains and 4) achieving high performance of polymer-polymer solar cells by applying DPP-polymers as electron acceptor. The project will make the DPP-polymers as the important part of polymer acceptors family. In addition, the research between chemical structure and device performance will be beneficial for polymer-polymer solar cells in the future.

共轭聚合物同时作为电子给体和受体的全聚合物太阳能电池近年来受到研究者的关注，具有材料可选范围广和器件稳定等优点。相比于大量开发的共轭聚合物给体，聚合物受体的种类有限。吡咯并吡咯二酮（DPP）类聚合物具有优异的结晶性与电子迁移率，表明DPP类聚合物具有作为电子受体应用于全聚合物太阳能电池的潜力。本项目以DPP单元为基础，以能级与微相分离为出发点，来构建新型的DPP类共轭聚合物受体，包括：（1）系统开发吸电子桥连基团的新型DPP类单体；（2）通过引入吸电子的共轭单元调节能级，合成DPP类共轭聚合物；（3）通过引入亲水或疏水的柔性侧链，实现聚合物共混体系形貌的调控；（4）DPP类聚合物作为电子受体应用到全聚合物太阳能电池中，实现高的能量转换效率。研究结果将实现DPP类材料成为聚合物受体材料家族中的重要分支。化学结构与器件性能之间关系的研究经验也为后续全聚合物太阳能电池的研究提供借鉴。

有机太阳能电池经历了几十年的发展，已经取得了长足的进步。随着效率、成本以及稳定性的优化，有机太阳能电池已经显示出应用的潜力。材料是核心，有机太阳能电池中的吸光层为有机共轭材料，包括电子给体与电子受体，对性能与应用至关重要。为充分利用太阳光，提升光电转换效率，具有近红外吸收的共轭材料成为研究主流。吡咯并吡咯二酮具有强吸电子能力，是构建近红外共轭高分子的理想材料。本项目围绕吡咯并吡咯二酮类共轭高分子及其在有机太阳能电池中的应用开展研究工作，致力于解决这类高分子的分子种类少、结晶性强以及凝聚态难以调控等问题，以获得高性能的有机太阳能电池器件。我们首先构建了多种吡咯并吡咯类共轭高分子材料，包括：（1）发展一种非对称分子设计策略，构建具有不同桥连单元的吡咯并吡咯二酮类共轭高分子，解决了这类高分子溶解性差的问题，获得了从甲苯中制备高性能的有机场效应晶体管和有机太阳能电池器件；（2）以吡咯并吡咯二酮类共轭高分子为给体，引入多种受体材料制备非富勒烯太阳能电池，获得了高于9%的光电转换效率；（3）发展了基于噻唑桥连单元和管状结构的吡咯并吡咯二酮类共轭高分子作为电子受体应用到非富勒烯有机太阳能电池中，获得了这类材料凝聚态结构调控的新思路。在吡咯并吡咯二酮类共轭高分子的研究基础上，我们进一步发展了一系列的近红外共轭高分子材料以及双缆共轭高分子材料，包括：（4）设计合成了一系列基于卟啉和BODIPY核的近红外共轭材料，作为电子给体或者电子受体应用到有机太阳能电池中，获得了10%的光电转换效率；（5）发展了一种通用的合成方法，制备双缆共轭高分子材料，获得了包括吡咯并吡咯二酮在内的双缆共轭高分子材料。进一步，从分子设计与凝聚态调控两方面着手，优化双缆共轭高分子中给体与受体单元的相分离结构，实现了单组分有机太阳能电池性能的突破。本项目的研究成果促进了对分子结构、凝聚态结构与光电转换性能关系的认识，为设计低成本、高稳定性的有机太阳能电池器件提供了分子设计依据。