控制电子给体和电子受体的堆集方式，发展新型有机光伏材料

有机太阳能电池的活性层由电子给体(D)和电子受体(A)组成。D和A的光吸收能力和堆集方式很大程度决定了器件性能。本项目利用紧密相连的D-A分子异质结体系，以保证D和A始终在一起，提高光诱导电荷分离效率。针对D和A在凝聚态倾向于相互吸引，生成交替堆集结构而不利于电荷传输的问题，本项目引入亲水/憎水、亲氟/憎氟、局部氢键、特殊的分子形状等控制因素，期望利用这些控制力量来调控D-A的堆集方式，使其形成有利于器件应用的D和A各自连续的堆集体结构。摸索经济适用的制备路径，研究晶态、液晶态等聚集态结构和性质，探讨各控制力量对D-A堆集方式的调控能力。通过遴选低能隙光电基团，调配体系光吸收能力和范围。应用这些分子异质结化合物作为活性层材料，制备有机太阳能电池，研究影响器件性能的因素。我们期待本项目不但可以发展一些新型的基于分子异质结的单组分有机光伏材料，而且可以阐明有机光伏器件的若干基本原理和规律。

同时含有电子给体（D）和电子受体（A）的异质结化合物是潜在的单组份有机光伏材料，但是由于其凝聚态结构倾向于生成D/A交替的堆积方式，妨碍了在光伏器件方面的应用。针对这一问题，此项目展开了以下方面的研究：（1）以寡聚噻吩-苝酰亚胺核心的二元化合物为模型，研究了在分子两端引入热力学不相容侧链对其凝聚态堆积结构的调控作用。研究发现，在寡聚噻吩-苝酰亚胺二元化合物的两端分别引入亲水的烷氧基长链和疏水的烷基长链，使分子具有两亲性，可以让该分子在一定条件下自组装成具有高光电导性的均匀纳米纤维。在纳米纤维中，寡聚噻吩和苝酰亚胺分别堆积，为光致电荷分离后产生的电子和空穴提供了各自独立的导通通道。而相比之下，该化合物两端都以烷基长链修饰时，该分子只能自组装成大小不一、相互缠绕的微米纤维，纤维结构含寡聚噻吩和苝酰亚胺的交叉堆积体，结果导致纤维不具光电导性。（2）以寡聚噻吩-卟啉-C60为的三元体系化合物为模型，研究了上述的热力学不相容侧链策略对其凝聚态分子堆积结构的控制作用，发现在此三元分子两端引入亲水的烷氧基长链和疏水的烷基长链，分子的两亲性同样使该分子在凝聚态形成D/A各自堆积的双分子层结构，提高了其光电性质。（3）以侧链悬挂C60的聚（芴-二噻吩基苯并噻二唑）为模型，将不相容侧链的控制策略应用于双缆型聚合物，发现具有两亲性质的双缆型聚合物的光伏性是脂溶性聚合物的4倍。（4）以卟啉为核心侧链悬挂C60的四臂取代星状化合物为模型，研究了分子形态对分子凝聚态堆积结构的调控作用。研究发现，C60的个数和相对位置对化合物凝聚态分子的堆集结构具有非常重要的影响。总之，此项目研究了如何从分子的结构入手，利用各种超分子的相互作用调控异质结化合物和双缆型聚合物的凝聚态分子堆积结构。研究发现对于指导异质结化合物型有机光电材料的研制以及对有机光电材料的凝聚态结构调控都具有非常重要的科学意义。