D-A-D型有机小分子给体材料的设计合成与性能研究

Small molecular donors have attracted major interests of organic solar cells (OSCs) due to their high photoelectric conversion efficiency and good batch-to-batch repeatability. However, many efforts have been devoted to develop the A-D-A small molecular donors, there are few reports about the D-A-D small molecular donors, and their overall performances are still behind those of their A-D-A counterparts. Here, we design a series of novel D-A-D small molecular donors based on the next two aspects. Firstly, by choosing the suitable electron-deficient and electron-rich units to construct the D-A-D conjugated skeleton with high planarity, narrow band gap and deep HOMO level. Secondly, by introducing the bulky side chains to restrain π-π interactions of the electron-deficient central unit, meanwhile, by using π-π interactions of the electron-rich end-capping units with the adjacent donor molecules and/or the acceptor molecules to form the three-dimensional molecular packing. And, we will obtain the principle for designing high-performance D-A-D small molecular donors by studying the relation between molecular structure – band gap – energy level – absorption spectrum – molecular packing – charge transport property - crystalline property – thin film morphology - photoelectric conversion efficiency, which will provide a basis for realizing high-efficiency and low-cost OSCs.

有机小分子给体材料因其较高的光电转换效率和良好的重复性等特点受到有机太阳能电池领域的广泛关注。其中，A-D-A型小分子给体的发展最为迅速，而关于D-A-D型小分子给体的研究还较少，其发展较为缓慢。本申请项目拟以D-A-D型有机小分子给体材料为研究对象，材料设计沿着两条轴线进行，第一条轴线是通过选择适当的缺电子单元和富电子单元构建平面性较高、带隙较窄、HOMO能级较深的D-A-D共轭骨架；第二条轴线是通过缺电子中心单元上大体积侧链的引入抑制中心单元的π-π相互作用，同时，利用末端富电子单元与邻近给体分子和/或受体分子的π-π相互作用形成有序的三维分子堆积。通过进一步研究材料的分子结构-带隙-能级-吸收光谱-分子堆积-电荷传输性能-结晶性质-薄膜形貌-光电转换效率之间的关系，得到高性能D-A-D型有机小分子给体材料的设计理念，为实现高效率、低成本的有机太阳能电池提供良好的材料、器件和理论基础。

有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSCs）具有柔性、可溶液加工、易于大面积制备等优点，在便携式电子产品等领域具有很强的应用潜力，已成为当前新能源领域的研究热点。在OSCs结构中，给体材料的优劣直接影响着电池器件的性能，是有机太阳能电池能否商业化的重要因素。因此，本项目在D-A-D型有机小分子给体材料上做了一些探索，获得了其在OSCs中的高效率应用。具体研究内容包括：（1）合成了以氮杂并苯结构和含芘氮杂并苯结构为缺电子单元的两类D-A-D型有机小分子给体材料；（2）持续不断优化末端富电子基团和中心大体积侧链的种类，以构建平面性较高、带隙较窄、HOMO能级较深的D-A-D共轭骨架。同时，利用末端富电子单元与邻近给体分子和/或受体分子的π-π相互作用形成有序的三维分子堆积；（3）研究材料的分子结构-带隙-能级-吸收光谱-分子堆积-电荷传输性能-结晶性质-薄膜形貌-光电转换效率之间的关系，总结高性能D-A-D型有机小分子给体材料的设计理念；（4）以D-A-D型有机小分子为给体材料制备有机太阳能电池，持续不断优化活性层形貌和调整器件结构，以获得高光电转换效率。通过上述一系列对D-A-D型有机小分子给体材料的设计与优化，使材料与结构之间更加匹配，使有机太阳能电池的性能、稳定性和可靠性稳步提升，最大光电转换效率达到17.0％，并对器件的物理机制及关键影响因素有了更深入的理解，为下一步研究奠定了基础。共发表SCI论文10篇，授权发明专利4项，培养研究生6名。