一类含芳香稠环结构的聚合物太阳电池材料的合成及其性能研究

Polymer solar cells have attracted much more attention because of their advantages on lost cost, flexible and large-area fabrication et al. The power conversion efficiency of polymer solar cell has reached more than 10%, recently, in literature reports. The design and development of new polymer structures is the key of the breakthrough on polymer solar cell efficiency. The structures based on polycyclic aromatic hydrocarbons is receiving more and more investigation and has played an important role in the pursuit of higher efficiency. In this project, we will start to design and develop the novel polycyclic aromatic hydrocarbons and their corresponding conjugated polymers, and will develop a series of high efficient polymer solar cell materials. We will use the benzothiadiazole as the core to design and synthesize the bithiophenebenzothiadiazole, dithiophene-based quinoxaline and benzobenzothiadiazole units via the cyclation, functionalization and other methods to modify benzothidiazole unit. We will synthesize the polymers usinge these new developed polyclcylic aromatic hydrocarbon units as the electron-deficient acceptor. We will investigate their optical. photovoltaic properties, and will optimize the chemical structure with the assistant of quantum chemical calculations in aiming to develop high efficient polymer solar cells. This will improve our understanding the relationship between structure and performance, and beneficial to the development of polymer solar cells in China.

聚合物太阳能电池由于在低成本、柔性、可大面积制备等方面的显著优点，受到了人们的广泛关注，目前已成为研究热点之一。文献报道的聚合物太阳能电池能量转换效率已突破10%。聚合物材料的发展是整个聚合物太阳能电池效率突破的关键。构筑芳香稠环体系是目前聚合物电池材料发展的一个重要方向之一。本项目研究拟以开发新型芳香大稠环体系为出发点，设计合成一系列新型含芳香大稠环的高效聚合物太阳能电池材料。以苯并噻二唑为核心，通过对其并环化、功能化或者开环修饰等方法手段，设计合成双噻吩并苯并噻二唑、双噻吩并喹喔啉和苯并（苯并噻二唑）等芳香大稠环体系，以它们作为受体单元，选择合适的强/弱给体单元，制备一系列芳香大稠环类聚合物太阳电池材料。通过对其性能研究，结合量子化学理论计算等辅助手段，优化材料结构设计，实现高效聚合物太阳能电池，丰富人们对结构与性能关系的认识，促进我国聚合物太阳能电池材料的发展。

聚合物太阳电池因其制备工艺简单、潜在低成本、重量轻以及可折叠弯曲等优点吸引了人们的广泛关注，具有重要的应用前景。目前的研究重点集中在通过设计新型聚合物太阳电池材料来改善其吸收率、载流子迁移率和能级等，以达到提高太阳电池效率的目标。在本项目的资助下，基于前期研究工作，我们开展了含芳香稠环单元聚合物的设计和制备，研究了其在聚合物太阳电池中的应用，取得了最高能量转换效率10.24%的结果。. 主要研究工作包括如下几个部分：制备了一种含噻吩的芳香稠环喹喔啉受体单元，通过与苯并二噻吩给体结合，发现给体烷基链对光学、电化学和光伏性能有着显著的影响，在此基础上，进一步通过拓展给体单元，制备了一系列含苯并二噻吩并噻吩、苯并噻吩呋喃、苯并二呋喃等给体单元，以噻吩并吡咯二酮、苯并三唑为受体单元，合成了一系列聚合物太阳电池材料，并详细研究了光学和电化学性质，薄膜堆积形态等。在太阳电池中，探讨了不同的制备调节对太阳电池性能的影响，研究了其形貌与性能的关系。通过材料和器件的协同优化，我们最终获得了10.24%的能量转换效率。. 在本项目的资助下，课题负责人共发表标注基金号的通讯作者/第一作者论文11篇，培养毕业硕士研究生2名，目前在读硕士研究生5名，在读博士研究生3名，其中有两人获得了研究生国家奖学金。