基于苯并三氮唑的高开路电压高性能小分子非富勒烯受体材料的设计与性能研究

The organic solar cells (OSCs) have been highly optimized over the past few decades. As a result, the external quantum efficiencies (EQEs) reaching 80%, and fill factors (FFs) close to 80%, as well as the power conversion efficiencies (PCEs) over 14% for single junction organic photovoltaic (PV) devices have been achieved. The limiting parameter for achieving higher PCEs remains the low open-circuit voltage (VOC). In the OSCs, a loss mechanism related to the charge transfer (CT) between electron donor (D) and electron acceptor (A), and the free carrier recombination losses usually significantly reduce the extractable photovoltage. In fact, suppressing charge separation energy loss may lead to the decrease of the EQEs. In this regard, synthetic chemists face a formidable challenge: to create new photovoltaic materials to manage the energetics between D and A and thus to minimize the trade-off between the VOC and short circuit current (JSC), which has always been the research hotspot and difficulty. Based on our previous studies on benzotriazole (BTA) based photovoltaic materials, herein, we plan to synthesize a series of BTA derivative to apply in the design of electron acceptors. By optimizing the center groups, end-capped groups, bridged units as well as solubilizing groups, we will systematically study the structure-property-performance relationship for the BTA based electron acceptors, and ultimately, obtain high performance non-fullerene organic solar cells with high VOC and large JSC. It will provide a theoretical basis and practical significance for the further improvement of the PCE of the OSCs.

经过几十年的发展，有机太阳能电池的各项参数已经得到明显的提高，其中外量子效率高达80%，填充因子高达80%，单层异质结电池的光电转换效率已经超过14%。低开路电压已成为制约太阳能电池光电转换效率进一步提高的关键因素。光伏器件中形成电荷转移态的损失和载流子复合损失是限制开路电压的主要因素。但是抑制电荷分离损失的同时往往伴随着外量子转换效率的降低。材料学家面临着一个强大的挑战：设计新的光伏材料满足给受体材料之间的能级需求来最小化开路电压与短路电流之间的折中关系。这也是此领域的研究热点和难点。本研究工作立足于设计合成一系列基于苯并三氮唑衍生物的小分子受体材料。通过改变材料的中间单元，封端基团，桥连单元以及烷基链，系统性的研究其中的结构—性质—性能关系，从而设计获得基于苯并三氮唑的高电压高短路电流的小分子非富勒烯电子受体材料。这将对进一步提高太阳能电池转化效率具有非常重要的理论和实践意义。

在国家自然科学基金（51873044）的资助下，围绕着苯并三氮唑（BTA）基的非富勒烯小分子受体的材料设计合成以及高开路电压高性能光伏器件的制备开展了系列研究，具体如下：.1..BTA基的小分子受体材料设计方面：我们开发一类以BTA单元作为A1桥链单元的A2-A1-D-A1-A2型的宽带隙小分子受体。我们系统性地研究了该类受体的各个构成单元的结构演变对于分子性质与器件性能的影响。中心核的设计包括核上烷基侧链的设计和共轭骨架上C, Si和O原子的取代。A1单元的设计包括BTA单元的卤代、噻吩稠环化、不对称设计等。A2单元的设计包括噻唑烷二酮、绕丹宁、氰基绕丹宁等。通过以上的结构设计，我们系统调控了分子的光电性质和分子内以及分子间的电荷转移性质。.2..聚合物给体材料的设计方面：根据“同A策略”，我们首先系统研究了含BTA的D-A型聚合物中给电子单元（三元环的苯并二噻吩（BDT）、苯并呋喃（BDF）、五元环的BDTT）和BTA单元上取代基的变化对于器件性能的影响。同时，我们设计利用一些强结晶性的聚合物（含酯基的聚合物和D18）作为给体材料，制备高开路电压高性能的光伏器件。.3..通过以上的分子设计，我们制备出一系列1.3 V以上的开路电压的光伏器件，当开路电压高于1.20 V时，光电转换效率可以突破11%。并制备出第一个开路电压为1.24 V，光电转换效率突破10%的光伏电池。此外，我们首次将有机光伏电池的非辐射能量损失降至0.15 eV以下。. 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。同时，我们设计的BTA基的受体材料所制备的光伏电池，因其匹配的光谱和较高开路电压，在室内光伏领域也具有良好的潜在应用价值。