基于咪唑酮衍生物强受体结构单元的高性能聚合物光伏材料的设计与构筑

Polymer solar cells (PSCs) have gained great attention during the last few years. Undoubtedly, the studies, exploring new blocking units and revealing the effects of polymeric structure on aggregation structure and photovoltaic performance, are always the key for achieving high-performance polymeric donor materials. In this project, benzo[d]imidazol-2-one, phenanthro[9,10-d]imidazol-2-one and naphtho[1,2-b:4,3-b']dithiophene-based imidazol-2-one derivitives will be designed and synthesized for the dornor-acceptor (D-A) conjugated polymers as strong acceptor structure units. High-performance conjugated polymers with a broad absorption spectra, suitable frontier molecular orbital energy levels, appropriate molecular stacking capacity and high hole mobility will be achieved by tuning the chemical structure and electron-deficient property of the acceptor units, copolymerizing with appropriate donor units, engineering the chemical structure, the lengthe and the location of alkyl side chains on the building blocks. Meanwhile, the PSC devices with high power conversion efficiency (PCE) would be fabricated. Finally, the effects of the building blocks and side chains on the molecular stacking, lamellar space, and π-π stacking distance will be systematically studied to reveal the relationship between the polymeric structures and the hole mobility and photovoltaic performance. The study would provide new ideas and insights for designing and synthesizing high-performance polymeric donor materials.

聚合物太阳能电池是当前国际上的研究热点和前沿领域，因而备受关注。其中，新型结构单元的设计与合成，聚合物分子结构与其聚集态结构和光伏性能之间的机理研究，是实现高性能聚合物光伏材料的关键。本项目拟设计并合成一系列新型的强受体结构单元：苯并咪唑酮（BIZ）、菲并咪唑酮（PIZ）及萘并二噻吩并咪唑酮（DTNIZ）衍生物，并将其应用于聚合物光伏材料。通过调控受体结构单元的化学结构和缺电子程度、选择与合适的给体结构单元共聚、优化侧链类型、侧链长度和不同侧链所处的位置，以获得具有宽的吸收光谱、合适的分子轨道能级、较强的分子堆砌能力和高载流子迁移率的共轭聚合物，从而制备高能量转换效率的聚合物太阳能电池器件。并系统研究聚合物主、侧链结构对其堆砌模式、层状结构的大小和π-π堆砌距离的影响规律，进而阐明聚合物分子结构与其空穴迁移率和光伏性能之间的关系，为设计和合成高性能聚合物光伏材料提供依据和指导。

设计了一种全新的缺电子结构单元2,9-二氟苯并[c]噌啉，并将其作为拉电子结构单元（A）首次应用于制备聚合物给体材料，其聚合物太阳能电池（PSCs）的光电转换效率（PCE）达到了7.92%，这是当时报道的A-A型聚合物的最高光伏性能之一。此外，另有一系列基于含氮杂环的聚合物被设计并合成并应用于PSCs。研究成果申请专利一项“CN 106589325 A”，并发表在“J. Mater. Chem. A”等期刊上。.以异靛为A单元，噻吩-苯-噻吩为D单元，改变烷基侧链结构及位置，设计并合成了一系列聚合物，首次采用固定一个重复单元中烷基侧链的总碳原子数方式，来系统研究烷基侧链结构对聚合物的聚集态和光伏性能的影响规律。研究成果获得授权专利1项“ZL 201610067270.3”，并发表在“Dyes Pigments”等期刊上。.设计并合成以三聚茚、苯并三噻吩等为核，苝二酰亚胺为臂的有机小分子受体材料，详细地研究了富电子核与缺电子臂的键接方式对其聚集态和光伏性能的影响规律。部分成果发表在“Dyes Pigments”等期刊上。.首次以非共轭聚合物制备得到厚度不敏感型电子传输层（ETL）并用于制备反向PSCs，系统研究了卤素离子种类对其性能的影响规律，研究表明，基于溴离子的聚合物PEIE-DBO具有最小的功函数、最高的电子迁移率和最佳光伏性能。以PTB7-Th：PC71BM作为光活性层，当PEIE-DBO的厚度为9 nm、50 nm 时，其PSCs的PCE分别为10.52%、9.09%，这是当时厚度耐受性最好的聚合物ETLs。以PM6：Y6作为光活性层，PEIE-DBO为ETL，制备的PSCs的PCE值达到了15.74%，略高于基于ZnO的PSCs的PCE值。这是首次在PSCs中将聚合物用于50 nm厚膜ETLs。该研究申请专利三项“CN 107546328 A、ZL 202010001049.4、ZL 202010001043.7”，部分成果发表在“J. Mater. Chem. A”等期刊上。.在本项目的支持下，我们在PSCs领域取得了较好的成绩，其中，申请专利5项，获得授权专利1项，16篇相关论文标注了本基金号，并培养了1名博士研究生和9名硕士研究生获得学位，在全国性学术会议做邀请报告和口头报告6次。