基于喹喔啉与酰亚胺稠环的聚合物受体的设计合成及其在全聚合物太阳能电池中的应用

Tremendous progress has been realized in all-polymer solar cells (all-PSCs) that utilise a p-type conjugated polymer as a donor and an n-type conjugated polymer in the photoactive layer. Generally, compared to conventional PSCs, all-PSCs demonstrate enhanced light absorption, superior optical, thermal and mechanical stability, and straightforward modification of their chemical and electronic properties. However, to date, polymer acceptor developments remain synthetically challenging, and the manifold of electron-deficient motifs and polymer acceptor candidates that can rival fullerenes for efficient BHJ solar cells with polymer donors remains modest. Further examinations of the “all-polymer” BHJ concept require that the class of polymer acceptors that can potentially outperform fullerenes be widened and, at this stage, forging a better understanding of the design parameters that directly impact polymer acceptor performance in BHJ solar cells is a key step towards high-performing material systems and BHJ devices..In this project, we will design and develop a novel electron acceptor pyrrolo[3,4-b]quinoxaline-1,3(2H)-dione (PQDs) motifs and polymer acceptors. The imide moieties in PQDs impart their substantial electron-withdrawing character, and the various alkyl substituents that can be appended to the nitrogen sites provide a handle on solubility and polymer self-assembly. A series of novel wide bandgap, medium bandgap, narrow bandgap polymer receptors would be developed to control their energy level and carrier transport properties, and provide energy level matched acceptors for the development of all-PSCs with absorption complementary. Combined polymer donors and device optimization, it is possible to achieve even more efficient all-PSCs. The relationship between the chemical structure of polymer acceptors and photovoltaic properties would also be researched.

聚合物受体不仅易于通过分子设计获得与聚合物给体互补的光吸收、匹配的能级结构、优异的电子迁移率等优点外，且由聚合物给体/受体制备的全聚合物太阳能电池（all-PSCs）具有良好的机械力耐受性及形貌稳定性等优点，受到越来越多的关注。但缺乏高性能聚合物受体使其能量转换效率长期低于含富勒烯衍生物的聚合物太阳电池的效率。设计合成强吸收、窄带隙、能级匹配的新型聚合物受体是提高all-PSCs能量转换效率的关键。. 在本研究中，申请人采用酰亚胺与另一缺电子受体单元喹喔啉结合，发展一种平面性更好、吸电子能力更强的稠环受体单元喹喔啉并酰亚胺及其聚合物受体，发展一系列新型宽/中等/窄带隙聚合物受体，调控其光学吸收、能级结构、载流子传输等性质，为发展光吸收互补型all-PSCs提供能级匹配的受体。优选匹配的聚合物给体，并结合器件优化，实现更高效的all-PSCs，并研究新型聚合物受体材料的结构-性能关系。

全聚合物太阳能电池具有机械力耐受性及形貌稳定性等优点，目前全聚合物太阳能电池的能量转换率还偏低，这主要因为：（1）缺乏高电子迁移率的n-型聚合物和兼容的P-型聚合物；（2）聚合物受体和给体分子间强相互作用和分子链纠缠，造成了共混高分子薄膜形貌难以精细调控。.针对上述问题，（1）将喹喔啉、酯基、酰亚胺等缺电子单元稠合成大π环，设计和合成了一系列窄带隙的n-型聚合物，研究了喹喔啉稠合酰亚胺和酯基这一结构变化调控聚合物光物理性能的规律。基于新合成的n-型聚合物、以及其它高效受体如Y6, N2200, PJ1的光物理特性，构建了一系列光吸收互补的P-型聚合物，通过对聚合物主链氮原子、氟原子取代、构筑方式等方式实现了对聚合物吸收光谱、电子能级、结晶性的综合调控；这些分子结构修饰显著改善了P-型和N-型聚合物的兼容性；通过聚集态纳米形貌的调控，得到了性能优异的全聚合物光电转换器件。（2）采用中子反射技术研究，发现了与聚合物-富勒烯、聚合物-有机小分子体系相比，全聚合物太阳能电池体系中，由于聚合物给体和受体间相互作用强、并且聚合物共混溶液中存在高分子链的纠缠，造成了共混溶液成膜过程中，有序排列受到破坏、给体相区和受体相区纯度下降、给/受体在垂直方向的呈现出均匀的分布；进而不利于电荷的传输和收集，使得全聚合物太阳能电池的填充因子较低。针对这一重要发现，理性设计了一种添加剂辅助的逐层加工工艺，获得最优的形貌，全聚合物太阳能电池的填充因子和能量转换效率提升至77%和16.1%，这个结果与国际报道的最高水平相当，本项目还结合先进的薄膜表征手段（掠入射广角X射线散射、中子反射技术等），探讨了加工工艺、薄膜纳米形貌、光电器件性能之间的关系，这为全聚合物太阳能电池的形貌调控提供了重要参考和理论依据。通过本项目的实施，共发表SCI论文17篇，申请中国发明专利4项，获得了系统的、多方面的提升电池光伏性能的新方法，对聚合物太阳能电池的理论研究和实际应用具有重要的意义。