新型给受体共轭聚合物半导体材料的设计、绿色合成与光电性能研究

The development of organic opto-electronic devices required polymers with higher performance and facility synthesis . The critical challenges are the design of the right polymer molecules, optimization of the synthetic paths, simplification the manufacturing processes, reduce the cost, promoting the scale-up produce, mitigating the environmental pollution. In this project, we will develop green synthesis paths to high performance low bandgap donor-acceptor(D-A) conjugated polymers via comprehensively study on molecular design, synthesis method and opto-electronic device charaterization. We will design new polymers with different donor units in the conjugated backbone, while heteroatoms and alkyl functionalization enchance the molecular coplanarity and the intermolecular solid-state pi-pi stacking. In order to cut the synthesis steps, avoid the formation of toxic byproducts, enrich the number and types of polymers, we will synthesize monors and polymers via C-H activation reactions(direct arylation polymeriztion). The direct arylation polymerization will be optimized to increasing the regioselectivity, as well as the degree of polymerization and product purities by proper substrate design and reaction conditions screening, such as catalysts, ligands, solvent, additive, temperature and time. Research on the performance-structure relationship(such as carrier mobility and PCE) as well as the solid-state microstructure，morphology, in order to guide the design of high performance D-A conjugated polymers.

有机光电器件发展，对聚合物性能和合成提出了更高的要求。如何提高聚合物的光电性能、优化合成路线、简化生产工艺、降低生产成本、促进规模化生产，降低合成过程对环境的污染，是一个具有挑战性的课题。在本项目中，我们拟通过将分子设计、合成方法与光电性能表征相结合，发展高性能给受体聚合物的绿色合成方法。通过双受体的引入，设计新型的给受体聚合物[D-A-(D)x-A]n；利用杂原子相互作用与侧链，增加分子共轭平面性与薄膜态分子间pi-pi堆积；利用C-H活化反应合成单体与聚合物（直接芳基化聚合），缩短反应步骤，避免有毒副产物的产生，丰富给受体聚合物的数量、种类。通过底物设计，催化剂、配体、溶剂体系、添加剂、反应温度、时间筛选，优化聚合反应的条件，提高反应的区域选择性，聚合物的聚合度与纯度。揭示聚合分子结构与光电性能（载流子迁移率、光电转换效率）之间的关系，为高性能给受体聚合物的设计提供指导与借鉴。

聚合物半导体由于其可溶液加工、质轻、价廉等优点，在制备互补性集成电路、发光晶体管、有机太阳能电池等方面潜在的应用价值引起了人们广泛的研究兴趣。而目前，有机光电器件发展，对聚合物性能和合成提出了更高的要求。如何提高聚合物的光电性能、优化合成路线、简化生产工艺、降低生产成本、促进规模化生产，降低合成过程对环境的污染，是一个具有挑战性的课题。本项目通过将分子设计、合成方法与光电性能表征相结合，探索高性能给受体聚合物的绿色合成方法。我们设计合成了几类基于萘二酰亚胺（NDI）的新型有机光电聚合物材料，探讨了聚合物的光电性能与分子结构之间的内在联系，为进一步设计高性能聚合物半导体材料提供指导和借鉴。我们同时还探索了Heck Arylation反应和C-H活化反应在聚合反应中的应用。主要内容如下：.1).在新型聚合物的设计合成及光电性能研究方面：.设计合成了一系列聚合物分子PNBTO, PNBSO，C1，C3等，并对其进行了全面的光电表征。该类聚合物均展现出偏n型的双极的电荷传输能力，电子与空穴迁移率高达0.05，0.01 cm2 V−1 s−1。同时，该类分子均可作为聚合物太阳能电池的受体材料，其中PNBSO作为受体材料制备的全聚合物太阳能电池ITO/ZnO/J51:PNBSO/MO3/Ag，光电转换效率高达3.84%。值得指出的是该电池的开路电压(Voc) 0.88 V高于明星分子N2200在相同条件下得到的Voc。.2).聚合物绿色合成方法学探索方面：.利用Heck Arylation反应，设计并可调控地合成了两类共轭小分子光电材料，同时探索了Heck Arylation反应和C-H活化反应在聚合反应中的应用。