靛蓝基有机太阳能电池材料的设计、合成与性能研究

Design, synthesis and photovoltaic application of organic small molecules solar cell materials is an important interdisciplinary field of chemistry, physics and materials science. Because of organic small molecules solar cell materials have a narrow and weak absorption, low carrier mobility, and lead to the photovoltaic performance is low. To improve the PCE of organic solar cells, based on our previous developed DPP-based organic small molecules with wide absorption, this project is designed for developing new indigo-based organic small molecules with wide and strong absorption, suitable electrochemical energy level and high carrier mobility for photovoltaic performance. The indigo-based small molecules as donor, blend with PCBM acceptor, and obtain a high photovoltaic performance, and in order to provide theoretical guidance and experimental basis for solving the PCE lower problem of organic small molecules, and have a very important scientific significance.

有机太阳能电池材料的合成与性能研究是当前化学、物理学与材料学等交叉科学的一个重要研究方向。针对目前有机太阳能电池材料吸收窄与弱、载流子迁移率较低而导致的光伏性能不高等问题，本项目利用靛蓝适合发展具有宽光谱与高载流子迁移率的有机光伏材料的特点，并基于申请人在吡咯并吡咯二酮（DPP）基有机小分子太阳能电池和新型苯并杂环类聚合物太阳能电池的研究基础上，旨在开发具有良好吸光能力、合适电化学能级与高载流子迁移率的靛蓝基有机分子作为新型太阳能电池给体材料，并与富勒烯受体共混，从而制备高性能的有机太阳能电池器件，有望为解决目前有机小分子光伏材料所面临的能量转换效率（PCE）较低问题提供理论指导和实验依据，具有十分重要的科学意义。

为了人类生活和社会经济的可持续健康发展，高效合理的利用可再生清洁能源成为摆在世界各国科学界面前的重大问题。尤其是随着地球变暖现象的日益严重和化石能源（煤、石油和天然气等）面临枯竭，世界各国对二氧化碳的排放量均采取严格的管制。因此，太阳能作为一种可再生清洁能源越来越得到全球科学界和产业界的重视，开发一类将太阳能转换为电能的装置—太阳电池具有重大的战略意义。本项目主要围绕靛蓝基太阳能电池材料的开发开展研究工作：1、靛蓝基光伏材料的制备及其在太阳电池中的应用；2、具有靛蓝相似结构的吡咯并吡咯二酮基光伏材料的制备及其在太阳电池中的应用；3、具有新型结构的光伏材料的制备及其在太阳电池中的应用，相关的研究结果如下：.以4-溴-2硝基-苯甲醛为起始原料，简单高效的合成了靛蓝基光伏材料PBDTT-PID，通过调节烷基链的长度来改善靛蓝基光伏材料的溶解性能和成膜性能，研究了PBDTT-PID的光伏性能，通过改变PBDTT-PID：PC61BM的质量比，来优化光伏性能，当PBDTT-PID：PC61BM=1:2时，未经过任何后处理获得了最高的能量转换效率（PCE），PCE=4.3，相应的开路电压(Voc)=0.85 V，短路电流(Jsc)=11.4 mA/cm2，填充因子(FF)=0.45。以上结果表明靛蓝作为电子受体单元运用在太阳电池领域具有很大的潜力。.为了进一步研究结构和性能的关系，本项目继续开发了和靛蓝结构类似的DPP类光伏材料，这类材料在300~800 nm间对光具有很好的吸收，较低的HOMO能级，有利于获得较高的开路电压。通过光伏性能研究，表明DPP基光伏材料具有良好的能量转换效率，其中SM2: PC61BM=1:1时， PCE达到5.5%，相应的开路电压(Voc)=0.81 V，短路电流(Jsc)=13.1 mA/cm2，填充因子(FF)=0.54。并从载流子迁移率和活性层形貌等角度解释了SM2的光伏性能优于SM1，退火后优于不退火的原因。.在上述研究工作的基础上，本项目继续开发了一类新型结构的BO类光伏材料，BO类光伏材料具有较宽的光学带隙（1.82 eV），低的HOMO能级。当M2与PC61BM=1:1共混时，不经过任何的后处理，能量转换效率达到5.3%。我们相信这些研究对有机太阳电池的理论研究和实际应用都具有非常重要的意义。.