纳米格子二维窄带隙聚合物的设计及光伏性能研究

The research of narrow bandgap (less than 2.0 eV) polymers, featuring electron donor-acceptor type structure became the mainstream of polymer solar cells (PSC). By drawing on the experience of the characters of covalent organic frameworks (COFs) with the high hole mobility and efficient energy transfer with PCBM, the project designs and synthesizes two class of nanogrid-based 2-D narrow bandgap polymers by alternating the acceptor containing nanogrid structure similar with COFs unit with the benzodithiophene derivative donor. The nanogrid polymers with rigid structure may reduce the solvent dependence effect when prepare active layer blending with the PCBM. The influence of bearing different size nanogrid and different electron units on the bandgap, energy level, stacking with PCBM, the performance solar cells of resulted polymers was studied. The design of nanogrid-based structure provide new research ideas for high-efficiency solar cell materials.

带宽小于2.0 eV，基于电子给-受体（D-A）交替共聚的窄带隙聚合物已经成为聚合物太阳能电池研究的主流。本项目借鉴共价有机框架分子（COFs）高空穴迁移率及和PCBM高效能量转移的特性，通过引入类COFs单分子单元纳米格子分子的设计，巧妙的将吸电子接团引入到纳米格子分子作为电子受体单元和优异的电子给体单元共聚，合成两类不同大小孔径的二维窄带隙聚合物。纳米格子聚合物本身的刚性结构可能会减少其和PCBM共混成膜的溶剂依赖性。利用纳米格子聚合物孔径和PCBM的匹配程度研究聚合物/PCBM共混膜堆积方式，分析PCBM在孔径内外对器件的载流子传输的影响。考察纳米格子聚合物孔径的大小对聚合物器件光伏性能的影响，从聚合物结构设计角度为获得高效率太阳能电池材料提供新的研究思路。

项目按照预期计划执行，设计合成一系列给受体（D-A）型芴基格聚合物及小分子，开展不同电子受体结构对聚合物带隙、吸收光谱、能级排列的作用机制的研究，结合光伏器件，表征活性层相态及光伏性能等，获得此类聚合物光伏器件的参数特点。由于光伏器件性能偏低，结合课题组电存储研究方向，将上述材料应用于二极管存储器及场效应晶体管存储器存储层，考察电子结构、能级、聚集态行为、薄膜形貌等对电荷俘获与释放等动态行为的影响，以商业化为标准，对电存储器件的器件参数如开关比、耐受性、维持时间等进行系统评价，实现芴基材料高性能存储层的理性设计，为开发电荷的大容量、稳定化存储材料提供指导。.开发的D-A型芴基格聚合物、氮杂物类小分子及环戊二烯二噻吩基类聚合物作为场效应晶体管存储器存储层，发现位阻型共轭打断的结构利于有效抑制电荷转移而提高存储性能；分离的HOMO和LUMO 能级有利于空穴和电子的有效存储；非平面拓扑结构，可以减少分子间能量转移，利于电荷的存储及防止电荷泄露；介电型聚合物掺杂功能分子可显著提高薄膜的捕获电荷密度和保持能力。建立光辅助电荷存储模型，通过光辅助产生光生载流子辅助晶体管中电荷的产生、捕获和释放。位阻型氮杂物存储器件的窗口性能优于目前报道的所有单组分小分子存储材料。芴基格小分子通过共混离子盐引入二极管器件，获得了性能良好的二极管忆阻器件。