新型双噻吩稠合苯并二噻吩类共轭聚合物光伏材料的设计与合成

In recent years, the power conversion efficiency (PCE) of the solar cells based conjugated polymers containing low quinoid conformational energy building blocks has been beyond 11%, indicating the introduction of this kind of building blocks and enhancement of intramolecular conjugation is one of effective methods to obtain high performance photovoltaic materials. However, only one building block with low quinoid conformational energy, thieno[3,4-b]thiophene (TT), was used in high performance photovoltaic materials. Furthermore, the asymmetric structure of TT resulted in low charge carrier mobility of the corresponding polymers, which is adverse to further improving the fill factor and consequently PCE of the solar cells. Thus, it is of prime importance to design and synthesize new, especially symmetric building block with low quinoid conformational energy. In this study, bis-thiophene fused benzo[1,2b:4,5b′]dithiophene (TBDT) derivatives with symmetric structure will be designed and synthesized, which will be copolymerized with a series common used aromatic rings to form a series of novel conjugated polymers. Through systematic investigation and understanding the relationship of chemical structure and the properties of the conjugated polymer photovoltaic materials, high performance photovoltaic polymers with low band gap, broad absorption spectrum, suitable energy levels and high charge mobility could be obtained.

最近几年时间里，基于低醌式构象能共轭单元的光伏聚合物材料的光电转换效率已经超过11%，说明引入低醌式构象能单元，增强分子内共轭效应是获得高性能光伏材料的有效方法之一。然而，目前应用于共轭聚合物光伏材料的高性能低醌式构象能单元仅有噻吩[3,4;b]并噻吩(TT)一种。此外，TT单元的非对称结构导致相应的聚合物为无规结构，载流子迁移率较低，不利于光伏器件填充因子和光电转化效率的进一步提高。因此，设计合成新的，尤其是结构对称的低醌式构象能单元，对于聚合物光伏材料的发展具有重要的意义。本项目拟设计并合成具有对称结构的二噻吩稠合苯并二噻吩单元，通过和不同的共轭单元共聚得到一系列聚合物光伏材料。通过系统研究并理解该类聚合物材料分子结构与性能的影响关系，有望获得窄带隙、宽吸收、合适能级、高迁移率的高效聚合物光伏新材料。

在基金（51673048）的资助下，围绕直线型、高结晶性、高迁移率的聚合物光伏材料开展工作，获得了二噻吩并苯并二噻吩（DTBDT）类和苯并三氮唑（BTA）类聚合物的最高能量转换效率（PCE >16%）。并对材料构效关系、器件能量损失、激子分离驱动力等方面开展研究。主要成果如下：.1）通过稠合D单元、稠合噻吩π桥、D单元卤代等策略，合成了五十余种聚合物给体材料，获得了大于16% 的PCE。.2）首次提出了获得高开路电压（VOC）的 “同A策略”（Same-A-Strategy）。该策略采用同样的缺电子单元（A）构筑给体和受体材料，可以提高材料的共混性，降低电荷分离所需的驱动力。获得了1.24 V的VOC和10.5%的PCE。.3）在器件机理方面，我们通过将氯原子引入到聚合物的不同位置，将有机光伏电池的非辐射复合电压损失降低到0.16 V, 是世界最好结果之一。此外，我们也从激子分离动力学方面探究了驱动力大小对本征的空穴迁移和电子迁移速率的影响。尽管驱动力降低到0.05 eV，但是本征空穴迁移速率过程却依然保持在亚皮秒级别 (0.5ps)。.上述研究成果为新型聚合物光伏材料的开发提供了创新思路，也为获得高电压、低能量损失的高效光伏器件奠定了基础，极大的推动了聚合物太阳能电池领域的发展，引起了国内外同行的广泛关注。