基于经典给体材料聚（3-己基噻吩）的高效有机光伏电池

Poly(3-hexylthiophene) (P3HT)，P3HT can be produced cost-effectively in large quantities (up to kg scale) and with high regioregularity (98%) by Grignard metathesis, and thus become the most important materials for the fabrication of large-area photovoltaic devices. However, the power-conversion efficiency (PCE) of classic P3HT: PCBM system could only realize 4% and 5%, which is due to the poor absorption and the large mismatch of energy levels. In this research, we design and synthesize a series of A2-A1-D-A1-A2 type electron acceptors. By this means, the absorption, energy levels and charge carrier mobility can be tuned by adjusting D, A1 and A2 units. The target of this project will focus on developing new electron acceptors for P3HT based solar cells and get insights into the relationship of the structures, properties, and photovoltaic performance of the A2-A1-D-A1-A2 type acceptor materials. Fine-tuning on the molecular levels and absorption spectra of these acceptors will be accomplished through systemic molecular modifications. That means the new molecular design strategy will accelerate the development of electron accepting photovoltaic materials, especially for the cost efficiency P3HT based polymer solar cells in theory and reality.

聚-3-己基噻吩 (P3HT)可以实现公斤级的生产，是成本最低、最具产业化潜力的聚合物光伏材料，也是目前大面积有机光伏器件制备首选的材料。然而，经典的P3HT/PCBM体系的光电转换效率为4-5%左右。这主要是由于P3HT与PCBM的吸收光谱均较窄、能级不匹配，导致P3HT/PCBM体系的短路电流（Jsc）和开路电压（Voc）都较低。 本研究工作分析总结近3年非富勒烯受体材料的研究进展，立足于A2-A1-D-A1-A2型小分子受体材料，通过对该类受体材料进行深入的修饰和改进，选择不同的D、A1、A2单元，系统研究各组成部分对该类材料光电性能的影响规律，基于该规律结论设计制备适用于P3HT给体材料的高性能受体材料。获得基于P3HT材料的高性能太阳能电池，对聚合物光伏材料的发展及产业化进程做出一定的贡献。

在国家自然科学基金（21875052）的资助下，围绕着基于经典的给体材料聚（3-己基噻吩）的高效有机光伏电池开展了系列研究，重点探究了A2-A1-D-A1-A2型小分子受体在P3HT基有机光伏器件中的构效关系，并获得了一系列基于P3HT 的高性能有机太阳能电池。具体如下：.1..我们开发了一类A2-A1-D-A1-A2型小分子受体。以IDT为核，氰基绕丹宁单元作为封端A2单元，我们系统性地研究了该类受体的A1单元的结构变化对于分子性质与器件性能的影响。A1单元的设计包括甲氧基取代苯并三氮唑（BTA）单元、苯并噻二唑（BT单元）、苯基取代喹喔啉单元。结果表明，甲氧基取代可以提升器件的开路电压，喹喔啉单元可以增强骨架内的分子内电荷转移和分子间的相互作用，提升器件的短路电流。最终，喹喔啉基A2-A1-D-A1-A2型小分子受体（Qx3b）与P3HT匹配，可以实现6.37%的光电转换效率。.2..我们系统探究了A2-A1-D-A1-A2型小分子受体中各构筑单元的烷基侧链对于器件性能的影响。中心核上的苯基侧链替换为烷基侧链，可以显著增加分子间的相互作用，促进光谱红移，提升器件性能。A2单元（氰基绕丹宁）上的烷基链可以调控分子的取向。以BTA3为模型，中心IDT核烷基链采用烷氧基苯基的侧链，相应的P3HT：BTA43的分子可以获得6.56%的光电转换效率。.3..在上述工作的基础上，我们进一步将IDT的中心核改为IDSe单元，硒原子的引进可以提升材料的载流子迁移率，增强分子间的相互作用，提升器件短路电流，可将P3HT基有机光伏器件的光电转换效率进一步提升至7.12%。为进一步拓宽材料的吸收光谱，我们将IDT五元环的中心核进一步拓展为六元环和DAD型稠合单元，共轭结构扩展可加强分子内的电荷转移，吸收光谱进一步红移至800 nm以上，器件的光电转换效率可提升至9.5% 以上。. 上述工作为基于P3HT的高电压高性能有机光伏器件的开发提供了创新思路，部分研究成果得到了广泛关注，产生了较大的学术影响力。