基于二噻吩乙烯和苯并噻二唑衍生物的D－A型共轭聚合物的合成与性能研究

Since high mobility low band gap conjugated polymers are crucial for improving the performance of organic thin-film transistors (OTFT) and organic solar cells (OSC), this project will focus on the synthesis and characterization of donor-acceptor (D-A) conjugated polymers comprising dithienylethylene derivatives which have planar conjugated structures as electron donor units and benzothiadiazole (BTZ) derivatives with different electron affinity, such as benzothiadiazole, fluorinated benzothiadiazole, thiadiazolopyridine, naphthobisthiadiazole so on, as elelctron acceptor units. The effect of the structures of BTZ and dithienylethylene derivatives on photophysical properties and packing structures of the polymers will be studied. Optical band gaps (Eg), HOMO/LUMO energy levels and packing structures of the polymers will be further finely tuned by varying the solubilizing group in the 3-position of thiophene ring on the dithienylethylene unit, copolymerization using two electron-donor units and tuning the region-regularity. Charge carriers transport and photovoltaic properties will be studied through making OTFT and OSC devices. Via these studies, we hope to develop low band gap conjugated polymers with field-effect mobility > 10 cm2/Vs and power conversion efficiency (PCE) > 11%.

鉴于高迁移率窄带隙共轭聚合物对进一步提高有机薄膜晶体管 (OTFT) 和有机太阳能电池 (OSC) 的性能具有重要意义，本项目选取具有平面共轭结构的二噻吩乙烯衍生物为给体单元、电子亲和势不同的苯并噻二唑、氟代苯并噻二唑、噻二唑并吡啶、萘并二噻二唑等苯并噻二唑 (BTZ) 衍生物为受体单元，合成系列给-受体 (D-A) 型共轭聚合物，研究BTZ衍生物和二噻吩乙烯衍生物的结构对聚合物光物理性质和聚集态结构的影响。通过调节位于二噻吩乙烯单元中噻吩3位上的致溶基团的结构、采用两种受体单元共聚以及调控聚合物区域规整度等方法，进一步微调聚合物的光学带隙(Eg)、HOMO/LUMO能级以及聚集态结构。制备OTFT和OSC器件，研究聚合物的载流子传输性质和光伏性质。在这些研究基础上，力争发展场效应迁移率>10 cm2/Vs和能量转换效率 (PCE) > 11%的窄带隙新型共轭聚合物。

具有高迁移率和良好吸光性质的有机/高分子半导体材料是制备高性能有机薄膜晶体管（OTFT）和有机太阳能电池（OSC）的基础。本项目设计并合成了一系列含二噻吩乙烯、苯并噻二唑或酯基噻吩衍生物的共轭聚合物，完成了项目的研究内容和研究目标。发现烷基噻吩作为二维致溶基团，可以显著增强共轭聚合物的pi-pi相互作用；而酯基取代噻吩是OSC聚合物给体材料的优异构筑单元。主要研究结果有：.(1) 以烷基噻吩作为致溶基团，合成了噻吩-苯并噻二唑类共轭聚合物，这些聚合物在活性层薄膜中能够形成有序的pi-pi堆积，并且主链倾向于face-on的排列方式，具有较高的载流子迁移率，获得了较高且对活性层厚度不敏感的OSC器件效率。.(2) 在噻吩β位引入酯基调控聚噻吩衍生物的HOMO和LUMO能级，获得适合于非富勒烯受体的聚合物给体材料，并制备了PCE > 12 %的OSC器件，为发展可宏量制备的聚合物给体材料提供了基础。.发表学术论文9篇，包括Macromolecules 1篇、J. Mater. Chem. A 2篇。申请中国发明专利1项。作为会议主席，举办国内学术会议1次。培养博士研究生3名。