含梯形稠环的宽带隙聚合物的设计合成及其光伏器件

In tandem or non-fullerene polymer solar cells (PSCs), wide bandgap polymers can provide complementary absorption profiles with low bandgap counterparts, thereby broadening the absorption range and increasing the power conversion efficiencies (PCE) of the devices. At present, however, there have been few reports about the wide bandgap conjugated polymers, which limits the further improvement of PCE to some extent. This proposal mainly focuses on the research of the wide bandgap conjugated polymers. A serious of conjugated polymers using ladder-type fused-ring compounds as the donor units and benzothiadiazole derivative as the acceptor unit have been designed. The large π-conjugated system and rigidified coplanar structure of the ladder-type fused-ring compounds are beneficial for increasing the hole mobility and light-harvesting ability in the short-wavelength region of the resulting polymers. Moreover, the energy levels, band gaps and hole mobilities of the target polymers can be effectively tuned by incorporating of different donor units and π-bridges. The resulted wide bandgap copolymers will possess continuous adjustable energy levels and optical bangaps, as well as high hole mobility, and can be well applied to tandem or non-fullerene PSCs. We will investigate the material structure-property-device performance correlations in depth to provide useful guidelines for the future rational design of high performance WBG polymers.

宽带隙聚合物光伏材料可以用在叠层或非富勒烯太阳能电池中，与窄带隙聚合物形成互补吸收，从而有效拓宽电池的吸收光谱范围，提高其能量转化效率。然而目前已报道的宽带隙聚合物材料的种类相对较少，这在一定程度上限制了二者效率的进一步提升。本项目着眼于对宽带隙共轭聚合物进行研究，设计了一系列以梯形稠环化合物为给体单元、苯并噻二唑衍生物为受体单元的共轭聚合物。利用梯形稠环分子特有的大共轭体系和刚性平面结构有助于在提高聚合物材料空穴迁移率的同时增强材料对短波段太阳光的捕获和转换能力。通过选用不同的给体单元和π-间隔单元对聚合物的电子能级、光学带隙以及空穴迁移率进行有效调控，目标是合成一系列能级、带隙连续可调且空穴迁移率高的宽带隙聚合物，并能够很好地应用于叠层和非富勒烯太阳能电池中。深入探索聚合物化学结构、聚集态结构、电子态结构与光伏性能间的关系，为高效宽带隙聚合物光伏材料的分子结构设计提供参考。

有机太阳能电池凭借其制造成本低、质量轻、机械柔韧性好、可大面积溶液加工等独特优势而受到越来越多的关注。活性层材料是有机太阳能电池的核心组成部分，其自身的结构与性质直接决定了器件所能获得的最大开路电压、短路电流以及光电转化效率。因此，设计与合成综合性能优异的活性层材料对提高器件光伏性能具有重要意义。本论文主要围绕含梯形稠环有机半导体材料的设计、合成及其光伏性能研究展开，主要研究内容如下：（a）p-型有机光伏材料的设计、合成与表征；（b）n-型有机光伏材料的设计、合成与表征；（c）基于所合成材料的太阳能电池的制备、性能优化及器件物理研究；（d）探索材料化学结构与分子的能级、带隙、结晶性、电荷传输、光伏性能间的关系。项目的主要成果包括：（1）提出优化π共轭桥提高p-型聚合物给体材料的迁移率进而提高器件短路电流和填充因子，获得效率为7.52%的电池器件；（2）发展了低成本第三组分光伏材料，所制备的三元电池效率达16.53%，是报道时单结有机光伏电池的最高纪录；（3）开发了一类共轭骨架无sp3碳的非富勒烯受体体系，并提出利用“邻位侧链”位阻效应对目标分子的结晶、排列取向及分子间堆积距离的精准调控，实现受体薄膜的高效电荷传输，获得首个效率超过16%的A-D-A型非富勒烯受体材料（认证效率16.66%）；（4）申请国家专利1项，发表SCI论文9篇。