高效稳定的稠环类共轭聚合物光伏材料的设计合成

Recently, polymer solar cells (PSCs) exhibit promising potential in the world’s renewable energy strategy due to their unique advantages such as low cost, light weight, and large-area fabrication on flexible substrates and have attracted much attention. The best power conversion efficiencies (PCEs) for small-area devices have attained 10% making the commercialization of OPV more realistic. However, the stability of the device based on the low band gap polymers containing the typical electron-rich units (such as, benzodithiophene, dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole, cyclopenta[2,1-b;3,4-b′]dithiophen) at higher temperature (such as 90 ℃) is poor, which significantly limits its practical application. The original research results prove that larger conjugation length is beneficialπ-πstacking and charge transfer. Based upon the promising performance of the typical units, a series systems were firstly designed and synthesized by the incorporation of fused thieno[3,2-]thiophene instead of thiophene to extend the conjugation length and coplanarity of the monomers. The project will focused on design and synthesis a series of novel low band gap copolymers. The series will be systematically investigated the effect of fused heteroaromatic and different atom-bridged on the key parameters of energy level, hole mobility, device efficiency and thermal stability. Considering the advanced properties of these units in improving the π-π stacking comparing to the typical units, the morphology and its stability will be studied in detail. Lastly, the relations of the molecular structure and the thermal stability of solar cells will be discovered by comprehensive investigating the copolymers based on fused heteroaromatic, and the results will promote the development of molecular design towards application.

聚合物太阳电池由于质轻、柔性、可溶液加工等特点受到广泛关注，器件光电转化效率已经突破10%，进一步展示了其潜在的应用。然而目前，大部分基于苯并二噻吩、环戊二噻吩等经典单元的高效聚合物体系，在稍高温度（90 ℃）下器件效率会急剧下降，成为限制聚合物太阳电池实际应用巨大障碍。因此，本项目旨在设计合成一系列新的具有不同桥键且较大分子共轭面的富电子单元并与不同的缺电子单元共聚获得一系列聚合物。通过增加富电子单元的共轭面，增加分子链间作用力，提高聚合物凝聚态结构的热稳定性，进而增强器件在实际应用中的热稳定性；研究共轭面增加、不同桥键结构和共轭π桥的引入对聚合物能级结构、空穴迁移率、器件效率和热稳定的影响，解决热稳定性对聚合物太阳电池实际应用的局限；建立分子结构与电池热稳定性之间的关系，为设计新型高效稳定的聚合物光伏材料提供新的理论指导，推动材料设计向应用方向发展。

聚合物太阳能电池由于质轻、柔性、可溶液加工等特点受到广泛关注，小面积器件效率已经突破14%，进一步展示了其潜在的应用。然而目前大部分基于经典单元苯并二噻吩、环戊二噻吩等的高效聚合物体系，在稍高温度条件下器件效率会急剧下降，成为限制聚合物太阳电池实际应用重要因素。本项目从分子结构出发获得的主要研究成果包括以下三方面：1.以BTI类聚合物为分子模型，系统的研究了分子桥结构与器件性能和热稳定性之间的关联，证明在D-A型共轭聚合物中，桥设计的重要性。以此，为基础开发了两种高效率的D-A型共轭聚合物，该聚合物无论在富勒烯体系还是非富勒烯体系均表现出高的光电转化效率和热稳定性，且最高的光电转化效率达到11%。该研究成果将为设计新型高效的D-A型共轭聚合物提供重要的实验和理论支撑。2.以BDT-BT类聚合物为基础，系统的研究了烷基侧链的种类对器件效率和热稳定性的影响，研究发现侧链结构对器件的光电转化效率有着重要的影响。在形貌热稳定性方面，系统的揭示了侧链的种类对材料的结晶性能以及相分离转变行为的影响，证实侧链优化对器件的形貌热稳定性的重要影响，为进一步提升材料的光电转化效率和形貌的热稳定性提供了重要的理论依据。 3.设计并合成了一系列D-A型共轭聚合物PF0、PF1和PF2，系统研究氟代作用和区域等规对器件光电性能，尤其是器件热稳定性的影响。实验证明，双氟取代以及区域等规的PF2具有最强的形貌热稳定性，能够抑制PCBM的扩散和聚集。而单氟取代和区域无规的PF1的形貌稳定性最差。首次提出并证实了氟取代和区域等规度的协同效应对器件的长期稳定性的影响，提出了一种简捷有效的既能改善器件稳定性又不牺牲器件效率的方法，为以后的材料设计提供了一种设计策略。该系列工作共发表学术论文13篇，授权发明专利3篇。