基于供-受体嵌段单元的齐聚物光伏材料的分子构筑及其光伏性能研究

Oligomers (OMs) have become a new development direction in organic photovoltaic materials because of their some advantages, such as extented conjugation system and good film-forming property like polymers, as well as high carrier mobility, definite molecular structure, easy purification, no batch-to-batch variations like small molecules (SMs). For few oligomer varieties used as photovoltaic donor materials and low power conversion efficiency (PCE) of their solar cells, in this project, the molecular design of photovoltaic OMs will be developed and their photovoltaic (OPV) properties will be studied. Novel extended π-conjugated aryl compounds used as donor (D) units and thiazolidin-4-one derivatives used as terminal accepter (A') units will be designed at the same time. By choosing the different D and acceptor (A) units with different electron-donating and electron-withdrawing abilities in the D-A block unit, and changing the quantity of the D-A block unit, further studying on the influence of OM’s molecular structure, device configuration and processing technology on the device properties, the A'(D-A)nDA' (n = 2，3) type photovoltaic OMs with narrow band-gap, wide spectral response and high carrier mobility, as well as their solar cells with high PCE value will be obtained. This work should be available to reveal the molecular design rule of high-performance OMs and further promote the development of high-performance photovoltaic OMs and their solar cells in our country.

齐聚物因兼顾了聚合物和有机小分子的优点，即较长的共轭体系，较好的成膜性能，确定的分子结构、易纯化、批次重现性好和高电荷迁移率，近年已成为有机光伏材料新的发展方向。本项目针对目前齐聚物光伏供体材料品种少，其太阳能电池的能量转换效率偏低等问题，展开A'(D-A)nDA' (n = 2，3)型齐聚物光伏供体材料的分子构筑与光伏性能研究。通过构建新型大π共轭芳烃的供体(D)单元和四氢噻唑酮衍生物的末端受体(A')单元、改变给体(D)-受体(A)嵌段单元结构和数量，研究齐聚物光伏供体材料分子结构、器件结构、器件加工工艺对器件性能的影响，获得新型性能优异的A'(D-A)nDA' (n = 2，3)型齐聚物光伏供体材料及其高效的齐聚物太阳能电池。项目的实施有利于揭示高效齐聚物光伏材料的分子设计规律，并推动我国齐聚物光伏材料及其高效太阳能电池的发展。

有机太阳能电池（OSCs）因具有材料选择范围宽、结构易调节、制备工艺简单、器件易大面积柔性化等优点已成为新能源、新材料研究的热点。然而，目前高效的有机光伏材料的品种偏少、材料的分子结构与性能的深层次关系尚未完全清晰、OSCs器件的能量转化效率(PCE)和稳定性有待进一步提升。为此，我们聚焦兼具聚合物和有机小分子光伏材料优点的齐聚物光伏材料，系统开展了齐聚物光伏材料的分子构筑、合成工艺、光物理性能、热稳定性能、电化学性能以及光伏性能的研究，揭示了齐聚物的分子结构与器件结构对器件光伏性能和稳定性的影响规律，获得了性能优良的齐聚物光伏材料及其OSCs器件，器件的PCE达到17.25%，性能达到国际先进水平。. 主要创新性结果如下：1）发明了基于苯并二噻吩和二噻吩并环己二酮的(D-A)2-D型齐聚物给体材料，与非富勒烯受体ITIC共混制备的二元OSCs器件的PCE达到7.89%，是基于非富勒烯的D-A型齐聚物OSCs的最高效率之一；2）发明了基于弱受体并噻唑为中心核的简单非稠环(A-A'-π)2-A''型有机光伏受体材料，与聚合物给体材料J71构建的二元OSCs器件的PCE达到8.77%，是当时基于非稠环受体OSCs器件的最高效率之一；3）通过分子内的非共价键工程，获得了吸收光谱拓展到1000 nm的非稠环富勒烯有机光伏受体材料，与聚合物给体材料J71构建的OSCs器件的PCE达到8.76%，是首次报道具有近红外吸收的高效简单非稠环非富勒烯受体材料。4）发明了基于茚并二噻吩(IDT)为中心核的A-D2-A型齐聚物受体材料，获得了PCE为12.33%的二元OSCs器件；5）发明了基于噻吩并异苯并吡喃(TiC)不对称单元的(A'-D)2-A型齐聚物给体材料，提出了提升OSCs器件光伏性能和稳定性的新策略，构建了三元非富勒烯和富勒烯OSCs器件，其中，三元非富勒烯OSCs器件的PCE达到17.25%，富勒烯OSCs器件的稳定性显著提升。该项目对于推动齐聚物光伏材料及其高效太阳能电池的发展具有重要意义。