有机光伏受体材料苯二酰亚胺共轭聚合物的合成及性能研究

The development and utilization of solar energy is one of the most important ways to solve energy crisis. Polymer solar cell，as one of the international most active cutting-edge research areas, has made significant progress. But in terms of stability and efficiency, Polymer solar cell still cannot compete with traditional silicon solar cell. In particular, the lag of research on n-type materials has limited the further improvement of device efficiency and decrease of cost. Therefore, the research on n-type materials not only has an important theoretical significance, but also has great practical value. Pyromellitic diimide (PMDI) having excellent chemical, thermal and light stability, and high electron affinity and electron mobility, is an ideal precursor to prepare organic photovoltaic n-type materials with high electron mobility and good environmental stability. This project aim to prepare low band-gap conjugate polymers, through the copolymerization of PMDI with electron donating (withdrawing) group, and use them as n-type materials in organic solar cell. The influence of PMDI imide modification and the structure of co-monomer to the photoelectric properties and morphology of the resulting polymers will be investigated. By studying the performance of all polymer solar cell using polythiophene as p-type materials, organic photovoltaic n-type materials based on PMDI with broad absorption range,high electron mobility and good solubility will be obtained. This research will build theoretical and experimental basis for the use of pyromellitic diimide-based polymers in organic solar cell.

太阳能的利用是解决能源危机的重要途径之一。作为目前最为活跃的前沿研究领域之一的聚合物太阳能电池已经取得了重大的进展，但是在稳定性和效率方面仍然无法和硅太阳能电池相比，特别是电子受体材料研究上的滞后在很大程度上限制了器件效率的进一步提高和成本的降低。苯二酰亚胺（PMDI）具有优良的化学、 热和光稳定性以及较高的电子亲和能和电子迁移率，是制备具有较高电子迁移率以及较好稳定性的有机光伏受体材料的理想前驱体。本项目通过PMDI与给（受）电子基团共聚来制备窄带隙共轭聚合物电子受体材料，研究PMDI上亚胺修饰基团和与PMDI共聚的给（受）电子基团的结构对所制备的共轭聚合物的光电性能和微观形貌的影响规律；通过与聚噻吩类给体材料制备的全聚合物太阳能电池性能及影响因素的研究，筛选出具有宽光谱吸收、高电子迁移率和良好溶解性能的受体材料，为苯二酰亚胺在聚合物太阳能电池中的应用提供一定的理论和实验基础。

有机太阳能电池具有成本低，重量轻，柔性易于大面积制备等优点是目前国际上最为活跃的前沿研究领域之一。有机太阳能电池包括聚合物太阳能电池和染料敏化太阳能电池。本文报道了苯酰亚胺共轭聚合物在聚合物太阳能电池中的应用研究。 .芳香四羧酸二酰亚胺具有优良的化学、热和光化学稳定性以及较高的电子亲和能和电子迁移率，是制备具有较高的载流子迁移率以及较好的环境稳定性窄带隙聚合物较理想的前驱体。我们以 PMDI 为吸电子基团，将它与给电子单元共聚制备了一系列电子给体-受体共轭聚合物。紫外可见吸收光谱分析表明 PMDI 侧链为 2-辛基十二烷基的聚合物其固态长波长方向的最大吸收波长与在溶液中相比，均发生红移，说明 PMDI 侧链为 2-辛基十二烷基的聚合物其固态具有较高的规整度。当在给受体单元之间引入噻吩共轭桥后，由于聚合物分子内空间位阻的减小以及分子共轭程度的提高使得聚合物的最大吸收峰扩宽红移。电化学表征显示这些 PMDI聚合物的 LUMO 能级在-3.30～-3.55 eV 之间，主要由受电子受体单元决定，此外还受给-受体单元间噻吩共轭桥的影响。噻吩π桥的引入还提高了聚合物的电化学活性。HOMO 能级随给电子分子给电子能力的提高而升高。 .我们以所合成的 PMDI 聚合物作为电子给体与 PC61BM 受体制备了本体异质结太阳能电池，对电池性能的分析表明，由于 PMDI 侧链为短链 2-乙基已基的聚合物与PC61BM制备的电池相比于侧链为长链2-辛基十二烷基的聚合物具有更好的活性层形貌，所以基于短链的聚合物制备的太阳能电池获得更高的短路电流、填充因子和能量转换效率；当在聚合物给受体单元之间引入噻吩π-桥联基团之后，由于所得聚合物的带隙降低，光谱吸收范围变宽，给受体单元间插入噻吩桥联基团的聚合物相比于没有桥联基团的聚合物制备的太阳能电池获得了更高的短路电流和光电转换效率。接着我们考察了以 PMDI 聚合物作为电子受体与 P3HT 给体共混制备的全聚合物太阳能电池的性能，我们发现，对具有相同带隙和相似 HOMO、LUMO 能级的聚合物，基于2-辛基十二烷基的聚合物制备的器件比基于2-乙基已基的聚合物制备的器件获得更高的光电转换效率，AFM 分析表明，聚合物侧链为2-辛基十二烷基的聚合物与 P3HT共混后能形成更好的活性层形貌是导致其获得更高的电池效率的主要原因。