异质结有机太阳能电池中非富勒烯小分子受体材料设计及其给/受体界面电子转移过程的理论探讨

Some demerits of acceptor materials based on fullerene and its derivatives set limits to the development of heterojunction organic photovoltaics. Thus, the design of novel, high-performance and robust non-fullerene small-molecular acceptor materials and the investigations on the mechanism of optoelectric conversion has become one of hot topics. Here, by means of density functional theory calculations, we will focus on the electronic structure, energy level, absorption spectra and charge transporting properties of non-fullerene small-molecular acceptor materials in order to screen some excellent building blocks. Then, the rationally chemical and structural modification on these building blocks was exerted to realize the directed syntheses and design of high-performance acceptor materials. Subsequently, by combining quantum chemical calculations with molecular dynamics simulations, we will proposed a reasonable interfacial and physical model to discuss the generation and separation of exciton, the transfer and transporting of charge carrier occurred in the interface between donor and acceptor. In conclusion, we hope our studies can lay the foundation for the syntheses of acceptor materials and thus boost the improvement of heterojunction organic photovoltaics.

富勒烯受体材料的诸多缺点已成为制约异质结有机太阳能电池发展的重要因素之一。因此，开发新型、高效、稳定的非富勒烯受体材料并探讨此类电池的光电转换机理成为重要研究课题。本项目以非富勒烯有机小分子受体材料为研究对象，拟通过密度泛函理论计算探讨其电子结构、能级水平、光谱性质和电子传输性能等参数，以筛选出性能优异的结构单元，从而进行化学修饰和结构改造，实现理论导向的设计与合成高性能受体材料；通过量子化学结合分子动力学模拟方法，尝试建立合理的理论界面模型，以期对异质结有机太阳能电池中给/受体界面处的激子生成和分离，及电荷转移和传输过程进行较全面描述，达到阐明界面处电子转移的机制的目标。总之，通过本项目的研究，为受体材料的合成提供可靠的实验依据和理论基础，进一步推动异质结有机太阳能电池的发展。

大力发展清洁能源是当前国际社会应对能源紧缺、改善能源结构、保障能源安全的重要发展方向，亦是我国的基本国策，有效利用太阳能成为研究热点。异质结有机太阳能电池以其资源丰富、绿色环保、成本低廉等优势备受关注。虽然异质结有机太阳能电池的最高光电转换效率已经超过13%，但距离大规模商业化应用还有一定差距。因此，相比于无机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，异质结有机太阳能电池较低的光电转换效率是制约其广泛应用的一个关键因素。异质结有机太阳能电池的光电转换效率与很多因素相关，相应电子转移机制在实验和理论上尚不明确。因此，提高光电转换效率、探讨其机理成为重要研究课题。本项目按照计划书内容，首先从给/受体界面模型和计算方法上进行了改善，给/受体模型从最初采用Face-on堆积发展到各种给、受体堆积都考虑，筛选能够更全面地表达给/受体界面性质的计算模型；其次调查了不同给、受体材料的界面电子动力学过程，对给/受体界面处激子的产生过程进行了详细考察，对激子的分离和复合速率进行了定量计算，对决定电池效率的相关参数（开路电压、短路电流等）进行了定量和半定量的计算，对异质结有机太阳能电池的效率进行了综合评价；最后我们基于一些优秀的受体材料(如:PDIs、DPP、BFs、cHBC等的衍生物)理论设计了高性能受体材料，并预测了它们的电池性能，筛选出了多种具有潜在应用价值的高性能受体材料。在本项目的支持下，共发表SCI论文11篇，学位论文2篇，培养优秀硕士2名，协助培养博士1名，正在培养博士生2名，硕士生6名，设计高性能有机小分子受体材料15个，超额完成项目申请书中的预期成果。因此，本项目的执行过程中不但清晰了给/受体界面处的电子动力学过程，还对影响电池光电转换效率的多种参数进行了计算与综合考察，并设计出了多种高性能的有机小分子受体材料，为异质结有机太阳能电池的发展与应用起到了很大的推动作用。