A-D-A型宽光谱响应窄带隙聚合物供体材料的合成及其光伏性能研究

Two novel classes of the A-D-A-type low-bandgap binary copolymer donor materials with broad absorption will be designed and synthesized resulting from different intramolecular charge transfer (ICT) effect between the donor (D) and acceptor (A) units in the main/side chains of the D-A-type low-bandgap polymers in order to solve the key issue of low sun's rays absorption scope in the D-A-type low- bandgap polymers. In these novel A-D-A-type binary copolymers, benzo[1,2-b:4,5- b']dithiophene or thieno[3,2-b]thiophene is used as the D unit, di(thiophen-2-yl) diketopyrrolopyrrole, benzothiadiazole and isoindigo are used as the A units, respectively. The effect of structures and spatial conformation of the D and A units, as well as the influence of building model between the D and A units will be studied on the photo-physical, electrochemical and photovoltaic properties, respectively, Then the A-D-A-type low-bandgap copolymers with broad absorption and high carrier mobility, further their bulk-heterojunction polymer solar cells (PSCs) with high energy conversion efficiency will be obtained. This project is available to not only solve the above issue of the previous D-A-type low-bandgap polymers and develop high-performance polymer donors, but also improve the photovoltaic properties of PSCs. Therefore, it has a theoretical and practical significance to promote a promising application of these A-D-A-type binary copolymers in PSCs.

针对目前供体-受体（D-A）型窄带隙聚合物对太阳光吸收范围较窄的关键问题，根据主/侧链D-A型窄带隙聚合物中D单元和A单元间分子内电荷转移作用强度不同，以平面刚性结构的苯并二噻吩或噻吩并噻吩作为富电子给体(D)单元，及平面性较好的噻吩基吡咯并吡咯二酮、苯并噻二唑、异靛蓝为缺电子受体（A）单元，设计了两类主侧链同时含有受体单元的新型A-D-A型宽光谱响应、二元共聚窄带隙聚合物光伏供体材料。通过研究给体和受体单元结构、以及各单元间的连接方式与空间构象对聚合物光物理、电化学和光伏等性能的影响，筛选获得宽光谱响应、高载流子迁移率的A-D-A型二元共聚窄带隙聚合物光伏供体材料及其高效本体异质结聚合物太阳能电池。项目的实施对于解决D-A型窄带隙聚合物的关键问题，获得高性能聚合物光伏供体材料及其高效光电性能器件，促进A-D-A型二元共聚窄带隙聚合物光伏供体材料在太阳能电池的应用具有重要的理论和现实意义。

本项目针对目前供体-受体（D-A）型窄带隙聚合物供体材料对太阳光吸收范围较窄和器件能量转换效率低等关键科学问题，以噻吩，芳胺等为给电子单元，苯并噻二唑，吲哚酮，苯并三唑等为受体单元，设计合成了一系列A-D-A型宽光谱响应窄带隙聚合物光伏供体材料，研究了这些聚合物光伏供体材料的光物理性能、热稳定性能、结晶性能、电化学性能、材料成膜性以及光伏性能。通过器件优化，获得了性能改善的宽光谱响应的聚合物光伏供体材料及其高效有机太阳能电池器件。其中，基于A-D-A型宽光谱响应窄带隙聚合物光伏供体材料在溶液加工型本体异质结(BHJ)有机太阳能电池器件中的能量转化效率达到了4.04%。在项目支持下，开展了侧链D-A型和A-D-D型宽光谱响应窄带隙聚合物光伏供体材料研究，两类材料研究对A-D-A型宽光谱响应窄带隙聚合物光伏供体材料的给体与受体单元选择具有指导作用。其中，侧链D-A型宽光谱响应窄带隙聚合物光伏供体材料在溶液加工型BHJ有机太阳能电池器件中的能量转化效率达到了3.62%。A-D-D型宽光谱响应窄带隙聚合物光伏供体材料在溶液加工型BHJ有机太阳能电池器件中的能量转化效率达到了7.33%。.项目的实施对于解决D-A型窄带隙聚合物的关键问题，获得高性能聚合物光伏供体材料及其高效光电性能器件，促进宽光谱响应共聚窄带隙聚合物光伏供体材料在太阳能电池的应用具有重要的理论和现实意义。