利用分子内氢键构筑高性能非富勒烯受体及其高效率光伏器件的制备

At present, organic solar cells (OSCs) have entered "non-fullerene era". In order to improve further power conversion efficiencies (PCEs) of OSCs, in this proposal, a novel molecular design strategy to non-fullerene acceptors is suggested：common raw materials owning aromatic rings are used as building blocks to synthesize non-fullerene acceptors via intramolecular hydrogen bonds. This strategy not only leads to similar molecular structures as fused-ring electron acceptors possessing the best photovoltaic properties so far, but also has the advantages of wide raw material sources, simple synthetic procedures and facile chemical modifications, which is favorable to optimize the structures and photo-electronic properties of non-fullerene acceptors. We will study systematically the influences of the chemical structures of non-fullerene acceptors on absorption spectra, energy levels, molecular packing, and electron transport, then reveal the relationships between the acceptors’ properties and molecular structures, aggregate structures and processing conditions. Finally, by blending non-fullerene acceptors with selected donors, and finding the optimized intrinsic and extrinsic conditions, we will try our best to obtain non-fullerene OSCs with PCEs over 15%. The results will provide new ideas for the molecular design of high-performance non-fullerene acceptors, and promote the industrialization of OSCs, which shows theoretical significances and potential applications.

目前，有机太阳电池已进入了“非富勒烯时代”。为了进一步提高有机太阳电池的能量转换效率，本项目提出了将常见的芳香环原料作为构筑单元，利用分子内氢键构筑非富勒烯受体的分子设计新策略。该策略不但可以得到类似于目前光伏性能最佳的稠环电子受体的分子结构，还具有原料来源广泛、合成简单和结构变化丰富等诸多优势，更易实现非富勒烯受体结构和光电性质的优化。我们将深入研究所得非富勒烯受体的化学结构对其吸收光谱、能级结构、分子堆积方式和电子传输性能的影响规律，初步探明受体性能与分子结构、聚集态结构以及加工工艺间的内在联系，并与优选的电子给体匹配，找到最佳的内外条件，力争获得能量转换效率大于15%的原型有机太阳电池，为高性能非富勒烯受体的分子设计提供新思路，为促进有机太阳电池的产业化提供新途径，具有重要的理论意义和广阔的应用价值。

针对有机光伏领域内主流的非富勒烯受体——稠环电子受体合成步骤繁琐的缺点，本项目提出了非稠环电子受体的新概念：利用分子内氢键等非共价键作用使单键相连的分子共轭骨架具有类似梯形稠环的平面性，从而降低受体分子的结构复杂度和合成难度，获得低成本的非富勒烯受体。在此新概念的指导下，本项目取得以下主要进展：1、基于不同的分子内非共价键作用，如O…H、F…H、N…H、O…S、F…S和N…S等，设计合成了五类十多种简单结构的非富勒烯受体，包括：以噻吩酰亚胺（TPD）为核的TPDCIC和TPDCNC，以二氟苯为核的DFPCBR，分别以吡嗪和哒嗪为核的NCIC和NOCIC，以三噻吩作为中心单元的AOT1、AOT2和AOT3，以及以苯并三氮唑为核的NTC-4Cl 、PhNTC-4Cl和PhNC-4Cl，等等。2、系统研究了分子结构对非稠环电子受体的吸收光谱、能级、迁移率和分子堆积等性能的影响，发现：基于吸电性核（TPD、吡嗪、哒嗪和苯并三氮唑）的非稠环电子受体既能将吸光范围拓展至近红外区，又有合适的能级结构；DFPCBR可与低成本受体聚(3-己基噻吩)实现良好匹配；AOT3的多重非共价键作用促进了分子构象的稳定和结晶性的提高；PhNTC-4Cl和PhNC-4Cl的刚性取代基使其具有更紧密的π-π堆积和face-on的分子取向。3、优选与非稠环电子受体匹配的聚合物给体，结合器件加工工艺的优化，获得了高效率的有机太阳电池，其中，基于PhNC-4Cl和两种聚合物给体的PDBD-T:PM6:PhNC-4Cl三元电池实现了15.31%的能量转换效率，圆满完成了当初制定的研究目标。本项目取得的研究成果，为人们探索高性能、低成本的非富勒烯受体开辟了新途径，将有力促进有机太阳电池的产业化进程。