具有宽吸收光谱的有机硼小分子受体材料

Typical small molecular acceptors exhibit narrow absorption spectra with only one strong absorption band and full width at half maximum (FWHM) of about 100 nm, which indicate limited sunlight harvesting capability. This project aims to develop a new series of organoboron small molecular acceptors with the feature of wide absorption spectra consisting of two strong absorption bands. We will try to obtain the organoboron acceptor material with the FWHM of absorption spectra of more than 250 nm and power conversion efficiency of organic solar cells of 9-12%. These acceptor materials are composed of an organoboron core, two π-bridging unit and two endgapping strong electron-withdrawing groups. They exhibit unique electronic structures with LUMO delocalized over the whole backbones and HOMO lecalized on the organonbron cores, which lead to two strong absorption bands in long-wavelength region and short-wavelength region, respectively. This project will provide not only a new kind of organic small molecular acceptors, but also a new approach to tune electronic structures and absorption spectra of organic molecules for solar energy related applications.

有机小分子受体材料的吸收光谱一般只有一个强吸收峰，吸收光谱窄（半峰宽约100nm），太阳光吸收能力不够强。本项目旨在开发一类具有宽吸收光谱特征的有机硼小分子受体材料，吸收光谱有两个强的吸收峰，力争实现其吸收光谱半峰宽超过250nm，有机太阳能电池能量转换效率9-12%。其途径是采用有机硼单元作为中心核，两边接上π-连接单元和强拉电子单元，使得到的小分子受体材料具有LUMO离域在整个骨架且HOMO定域在中心核的独特电子结构，因而使吸收光谱在长波长区域和短波长区域表现出两个强的吸收峰。本研究一方面将提供有机小分子受体材料的新体系，另一方面将为调控有机小分子的电子结构和吸收光谱，发展太阳能相关应用，提供新方法。

发展新型有机小分子/高分子受体材料，对于提高有机太阳能电池的能量转化效率和稳定性具有重要的意义。本项目发展出系列新型有机硼小分子受体材料。包括，开发出具有宽吸收光谱的有机硼小分子受体材料，揭示了其化学结构和光电性质、器件性能之间的关联，实现了吸收光谱半峰宽280nm；开发出基于三芳基硼的醇溶性有机小分子受体材料，实现了醇类溶剂加工的非富勒烯有机太阳能电池器件，为解决有机太阳能电池的环保问题提供了材料基础；开发出全稠环小分子受体材料，实现了有机太阳能电池能量转化效率10.8%，而且化学稳定性和光稳定性优异。本项目开发出系列高性能硼氮配位键高分子受体材料，基于该类高分子受体材料，实现了全高分子太阳能电池能量转化效率从6%到10%和15%的突破，实现了小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池器件从5%到9.5%的突破，而且热稳定性优异，将有机太阳能电池的工作问题拓展到150oC; 报道了国际上第一例全高分子室内光伏器件，室内光下能量转化效率达到27%。此外，本项目发展出新型硼氮配位键n型高分子半导体，包括第一例无定型n型高分子半导体材料，具有极低LUMO/HOMO能级的拉电子-拉电子型硼氮配位键n型高分子，基于硼氮配位键和硼氮共价键共振的窄带隙共轭高分子，等等，在有机场效应晶体管和有机热电器件中性能优异。本项目为有机太阳能电池领域提供了特色鲜明的有机硼小分子/高分子受体材料体系，为解决有机太阳能电池的效率问题、稳定性问题、环境友好加工问题提供了材料基础，本项目也为n型高分子半导体领域提供了全新材料体系和分子设计新思路。