基于噻唑单元的宽带隙共轭聚合物的合成及其在聚合物叠层太阳能电池中的应用

Polymer solar cells have attracted much attention in the world as a novel and renewable energy resource technology due to their advantages of low cost,easy fabrication,light weight,and the capability to fabricate flexible large-area devices. So far,the power conversion efficiency (PCE) of polymer solar cells based on bulk heterojunction structure has surpassed 8%. However, the lacking of a broad absorption range limits the further improvement of PCE. In this case, polymer tandem solar cells become research focus by stacking of two bulk heterojunctions with complementary absorption spectra and high open circuit voltage. However, there have been few reports about the broad bandgap conjugated polymers for polymer tandem solar cells application, which limits their rapid development to some extent. This project mainly focuses on the research of the broad bandgap conjugated polymers. A series of conjugated polymers based on thiazole as acceptor unit and benzodithiophene or indacenodithiophene as donor unit have been designed. The absorption, electron energy levels and hole mobility of polymers will be effectively adjusted by changing the length of alkyl chains or attaching the different conjugated side chains to the polymer main chain in order to attain the better application for the polymer tandem solar cells and the PCE of 8% will be achieved. Furthermore,the relationship of conjugated polymer structure and properties will be investigated.

作为一种新型的、可再生能源技术，聚合物太阳能电池在制备大面积、轻质、柔性的器件方面具有独特的优势，因此受到世界范围的广泛关注。目前，本体异质结聚合物太阳能电池的能量转化效率已经超过了8%；但是由于其对太阳光谱吸收范围不够宽，限制了其效率的进一步提高。聚合物叠层太阳能电池由于可以通过串联两个本体异质结聚合物太阳能电池以实现宽的吸收与高的开路电压，成为研究的热点。但是，现在报道的应用于聚合物叠层太阳能电池的宽带隙材料还很少，在一定程度限制了其快速发展。本项目着眼于对宽带隙共轭聚合物进行研究，设计了一系列基于噻唑单元为受体单元、苯并二噻吩或引达省并二噻吩单元为给体单元的共轭聚合物。通过调整侧链烷基的长度、引入不同共轭侧链对聚合物的吸收、电子能级以及空穴迁移率进行有效调节，以期能够很好的应用于聚合物叠层太阳能电池中，并获得8%的能量转化效率；同时，探索共轭聚合物结构与性能之间的关系。

尽管单结本体异质结聚合物太阳能电池已经获得了比较高的能量转化效率，但是由于聚合物给体材料对太阳光的选择性吸收，限制了其效率的进一步提高。采用叠层器件结构串联两个具有不同吸收范围的单结聚合物太阳能电池可以实现宽吸收光谱与高开路电压，从而有效提高器件的能量转化效率。但是，由于宽带隙聚合物光伏材料的研究滞后，在一定程度限制了叠层器件的发展。本项目针对这些现状和问题，开展了新型宽带隙聚合物光伏材料的研究工作。通过分子修饰的方法，调整聚合物的主链组成、改变侧链取代基来改善聚合物的吸收光谱、分子能级以及空穴迁移率，设计合成了一系列高效宽带隙聚合物光伏材料。其中，基于噻吩基取代的苯并二噻吩单元的共轭聚合物PBDTTTz-T 的光学带隙为 1.94 eV, HOMO 能级为-5.31 eV, 空穴迁移率达到10-2 cm2/V s 量级; 相应光伏器件获得7.61%的能量转化效率，同时器件的开路电压达到0.94 V; 基于苯基取代的苯并二噻吩单元的共轭聚合物PBBTz-P 表现出更宽的光学带隙和更低的HOMO能级，分别为 2.0 eV 和-5.35 eV；相应光伏器件能量转化效率达到7.4%，开路电压达到0.95 V; 通过在聚噻吩的侧链引入酯基官能团的聚噻吩衍生物PDCBT，具有和P3HT相似的光学带隙 (1.9 eV) , 比P3HT (-4.9 eV) 低的HOMO能级(-5.26 eV); 相应光伏器件的开路电压达到0.91 V, 比P3HT提高0.32 V，器件效率提高到7.2%，而且基于PDCBT制备的叠层器件获得了超过10%的能量转化效率。本项目设计合成的宽带隙材料将为叠层器件制备提供更多选择，同时，本项目中对宽带隙材料分子结构与性能关系的探索将对这类材料的设计合成起到很好的指导意义，将有效的促进叠层聚合物太阳能电池效率的进一步提高，推动聚合物太阳能电池的商业化进程。