基于新型稠环受体单元的高性能聚合物光伏材料的研究

Polymer solar cells can be produced in the form of large- area,flexible and light-weight modules with low cost via solution processing, having great potential for global commercialization. Power conversion efficiency (PCE) of ～10% (Yong Cao Group) and 12% (Heliatek) have been achieved for single and tandem organic solar cells, respectively. The most effective approach to obtain high performance donor materials is to develop low-bandgap conjugated polymers or small molecules. Like fused-ring donor units, fused-ring acceptor units have planar structure and extended П-conjugation system. Polymers based on these units may form ordered structure in films, suppress main chain twisting, enhance the interaction between donor and acceptor units, and strengthen П-П stacking. This could thereby enhance the light-absorbing ability of polymers and charge carrier mobility for higher photocurrent, and significantly improve the PCEs of polymer solar cells. In addition, the introduction of fused-ring acceptor units may improve the thermal stability of polymers. However, the research for fused-ring acceptor units is at its infancy and is far less than that for fused-ring donor units. Therefore, we design three series fused-ring acceptor units: the fused-lactam units, the П-extended isoindigo units, and the large planar fused-ring acceptor units. Polymers based on these novel acceptor units are expected to be highly efficient donor materials for polymer solar cells.

聚合物太阳能电池可溶液加工制备大面积柔性器件，质量轻，有望推向市场。目前单个和串联有机太阳能电池效率分别达到近10%（曹镛）和12%（Heliatek）。制备窄带隙共轭高分子或小分子已成为获得高性能给体材料的有效途径。稠环受体单元跟稠环给体单元一样，具有大平面共轭结构，由此制备的聚合物容易形成有序结构，同时大平面稠环结构可以减少聚合物主链扭转，增强给体受体单元之间相互作用，增强链间∏-П堆积，增强聚合物薄膜的光吸收，获得较高的载流子迁移率，光电流和能量转换效率。此外，引入稠环受体单元还有望提高聚合物的热稳定性。目前稠环受体单元的研究处于起步阶段，远少于稠环给体单元的研究。因此，申请人设计了三种新型受体单元：内酰胺稠环受体单元、类异靛蓝П扩展受体单元和稠环大平面受体单元，利用这些稠环受体单元合成D-A聚合物，希望能够大幅度提高迁移率和光电流，获得具有高能量转换效率的聚合物太阳能电池。

在国家自然科学基金（21374025）的资助下，围绕内酰胺稠环、异靛蓝П扩展、稠环大平面的三类新型稠环受体单元开展了设计合成研究，并以之合成应用于有机太阳电池的高性能D-A共聚物给体材料，同时在高性能富勒烯受体材料，非富勒烯受体材料以及钙钛矿太阳电池方面也开展了研究，具体如下： .1. 开展了D-A共聚物给体材料的设计合成，其中基于三环内酰胺受体单元（DTP）的共聚物给体材料展示出优异性能，单结有机太阳电池效率突破10%，叠层有机太阳电池效率突破11%。.2. 开展了高性能富勒烯受体材料的研究，通过定位合成方法实现了异构纯双加成富勒烯受体材料的制备，在有机太阳电池中最高实现8.11%的能量转换效率，为目前基于双加成富勒烯受体电池的最高纪录；.3. 开展了非富勒烯材料的设计合成，合成了新型碳氧桥非富勒烯小分子受体材料，其中基于八环碳氧桥非富勒烯受体COi8DFIC具有非常强的近红外吸光能力，应用于三元有机太阳电池效率实现14.08%，是目前报道的单结有机太阳电池的最高效率；.4. 开展了钙钛矿太阳电池的研究，用氯化铵添加剂改善钙钛矿薄膜结晶和形貌，大幅提高钙钛矿太阳电池效率，填充因子突破80%，是当时的世界纪录。发明钙钛矿/体异质结集成电池，将钙钛矿电池光响应从790 nm拓宽到970 nm，有效提高电池光电流。研发一系列醇溶性无铅钙钛矿材料(NH4)3Sb2IxBr9-x (0≤x≤9)，并获得(NH4)3Sb2I9单晶。1.03V开路电压为非铅钙钛矿材料最高纪录。.上述工作为应用于有机、钙钛矿太阳电池的高性能材料方面提供了创新思路，研究成果引起了广泛关注。