吡咯并吡咯二酮小分子非富勒烯受体材料的设计、合成及其光伏性能

Organic solar cells (OSCs), as a potential green and high efficient approach to transform solar energy into electricity power production, have appealed considerable research interest in academia and industry. Rapid progress in organic solar cells based on bulk heterojunction (BHJ) structure comprising a conjugated organic semiconductor and a fullerene derivative as an electron donor and acceptor, respectively, has led to a dramatic improvement in the power conversion efficiency (PCE). But, some drawbacks including high production cost and low open circuit voltage (Voc) as well as narrow absorption band limit further performance enhancement of fullerene-based conventional organic solar cells. To overcome these drawbacks of fullerene based solar cells, non-fullerene electron acceptors have been designed and developed to replace the conventional fullerene derivatives because their optical properties and energy levels are easily tuned with simply tailored molecular structure. Based on our previous studies on diketopyrrolopyrrole (DPP) based photovoltaic materials, herein, we plan to synthesize a series of DPP based electron acceptors which possess the complementary absorption, matched energy level, high mobility as well as excellent miscibility with the polymer or small molecule electron donors. By optimizing the center groups, end-capped groups, bridged units as well as solubilizing groups, we will systematical study the structure-property-performance relationship for the DPP based electron acceptors, and ultimately, obtain high performance non-fullerene organic solar cells with high Voc and large short circuit current.

有机太阳能电池作为一种绿色高效的光电转换技术，是学术界和工业界研究的热点。近年来，以有机半导体为电子给体，富勒烯衍生物为电子受体的本体异质结太阳能电池的光电转换效率获得大幅提升。但富勒烯基受体存在着合成纯化成本高，开路电压低，吸收光谱窄等缺点。为了改善这些缺点，非富勒烯电子受体材料应运而生。这类受体材料可以通过灵活的结构设计和简易的合成方法实现分子结构的优化、光谱性质和能级的调控，有望克服富勒烯基受体材料的缺点。基于本研究组在吡咯并吡咯二酮（DPP）衍生物光伏材料设计方面的研究基础，本项目计划合成一系列与给体材料吸收光谱互补、能级匹配、迁移率高、共混性优异的DPP类小分子受体材料，并通过对DPP基受体材料分子骨架中的中心基团、端基基团、桥连基团和溶解基团的设计与优化，系统地研究DPP类小分子受体材料的结构—性能关系，最终得到兼有高开路电压与大短路电流的高效非富勒烯受体电池。

在国家自然科学基金（21602040）的资助下，围绕吡咯并吡咯二酮小分子非富勒烯材料设计、合成开展了系列研究，同时在应用于高电压有机太阳能电池的非富勒烯受体材料方面也开展了系列研究，具体如下：.1．我们综合分析已发表的各类吡咯并吡咯二酮（DPP）小分子受体的特点，提出在材料设计中，统筹设计共轭骨架，封端单元和烷基侧链，有利于获得高效率的DPP小分子光伏材料，该工作为今后高性能DPP小分子的设计提供了指导，引起了广泛关注。.2.我们设计了骨架结构为DPP-D-A-D-DPP（D为给电子单元，A为吸电子单元）的小分子并研究其光电性能。理论计算（DFT）和实验结果证明随着中间单元的吸电子能力增强，材料的吸收光谱逐渐红移，捕光能力增强，电荷传输能力也逐渐增强。但是材料过高的最高占有轨道（HOMO）能级使得体系内空穴转移受阻，不利于光电流产生。.3. 我们设计合成了一类indacenodithiophene (IDT)为核，苯并三氮唑（BTA）为桥连单元，饶丹宁为吸电子封端单元的BTA类非富勒烯小分子受体。通过对封端单元的结构修饰，该类小分子受体可以将P3HT的开路电压提高到1.22 V，光电转换效率可以提高到6%以上。.4. 我们提出“同A策略”设计高电压有机光伏材料，即用相同的吸电子单元来构筑活性层的给受体材料。基于我们设计的非富勒烯小分子受体BTA13/BAT3，选用由苯并二噻吩和BTA的共聚物作为给体，获得了一系列开路电压高于1.10 V的器件。最终，通过在BDT单元上引入氟原子（J52-F），BTA13可以获得1.18 V的开路电压和8.36%的光电转换效率。另外，以BTA3作为受体，给体BDT单元引入氯原子可以实现1.24 V开路电压，10.5%的光电转换效率。这是当前开路电压高于1.20 V的器件的光电转换效率最高值。.上述工作为新型有机光电材料的开发，尤其是应用于有机太阳电池的高电压高性能材料方面提供了创新思路，部分研究成果得到了广泛关注，产生了较大的学术影响力。