两亲性聚噻吩嵌段共聚物的合成、微相分离和光伏性能研究

This project focuses on the construction of a series of amphiphilic polythiophene-based rod-rod and rod-coil block copolymers and the exploration of the relationship among the polythiophene chemical structures, microphase-separated structures and photovoltaic properties. The influence of chemical structures of the main/side chain, solvent selectivity, ionic strength, translocation via nanopores, crystalline degree, thermal and solvent annealing, etc., on their phase structures will be fully investigated. Moreover, the photovoltaic properties of the resulted block copolymers with various structures will be systematically studied in order to optimize the performance of the polymer solar cell. The significance of this project is not only to improve the photovoltaic properties of polythiophene-based block copolymers via controlling their phase structures, but also to build up the relationship among their chemical structure, phase structures and device performance. Consequently, this project will provide some guidance for the design of novel conjugated polymeric materials and device in the future.

本项目围绕含有聚噻吩链段的嵌段共聚物的化学结构-微相分离结构-光伏性能这一主线，设计合成一系列具有两亲性的聚噻吩嵌段共聚物，包括全共轭的刚性-刚性和刚性-柔性聚噻吩嵌段共聚物。通过考察主侧链结构、溶剂对不同嵌段的选择性、离子强度、过孔方式、结晶程度、热退火及溶剂处理等主要因素对其相结构的影响，构建各种相形态及掌握其主要调控规律。在此基础上研究它们的光伏性能，通过制备聚合物薄膜太阳能电池器件，探索聚合物相结构与电池性能之间的关系及相结构影响光伏性能的本质规律，从而进一步探索提高器件性能的有效途径。本项目的研究意义不仅在于通过调控聚噻吩嵌段共聚物的微相分离结构来优化和提升其光伏性能，更重要的是期望建立聚噻吩分子结构、微相分离结构及最终器件性能三者之间的关联，为设计和制备新型共轭高分子材料和器件提供一些理论指导和实验依据。

本项目围绕聚噻吩嵌段共聚物的化学结构-微相分离结构-光伏性能这一主线，通过在聚噻吩侧链引入不同取代基团，设计合成了一系列具有两亲性的聚噻吩嵌段共聚物。聚噻吩侧链的取代基团赋予了体系两亲性的性质，并且在很大程度上影响整个嵌段共聚物体系的微相分离行为、结晶行为、光物理行为以及光伏性能等。比如，聚（3-己基噻吩）-b-聚（3-(6-磷酸酯己基)噻吩）体系侧链的磷酸酯基团降低了体系的熔点及两个刚性嵌段之间的相互作用，使得该体系作为相容剂用于P3HT/PCBM聚合物太阳能电池中，大幅提高了电池的效率和热稳定性。聚（3-己基噻吩）-b-聚（3-(6-羟基己基)噻吩）体系侧链的羟基在加热下发生交联，极大提高了薄膜的韧性和断裂伸长率，使得该体系在柔性有机电子器件方面有潜在的应用。另一方面，研究了基于聚噻吩的有机/无机杂化体系，利用自下而上的自组装方法制备出聚噻吩/金纳米棒多级组装结构，形成金纳米棒沿着聚噻吩纳米带有序排列的组装体，该工作对理解聚噻吩和无机纳米粒子的自组装机理具有重要意义。此外，对聚硒吩均聚物等在溶液中的结构和结晶行为进行了初步探索。.通过这些实验研究，我们对两亲性聚噻吩嵌段共聚物的分子排列、凝聚态结构和光电性能进行了较为精细的调控，对基于聚噻吩的有机/无机杂化体系进行了初步有效的探索。这些工作的开展，帮助我们更深入理解了共轭高分子分子结构、相结构及最终器件性能三者之间的关联，为研究新型共轭高分子材料的微观结构和性能提供了一些理论指导和实验依据。