多维有机光伏受体材料的设计、合成与性能研究

As one of new clean energy technologies, organic photovoltaics (OPVs) have attracted more and more attention, and become one of the hot topics in organic electronics. However, the lack of excellent organic acceptor materials has become a bottleneck that greatly restricts the development of OPVs. Based on the applicant's previously work on n-type semiconductors, this project proposes a new type multi-dimensional (M-D) organic photovoltaic acceptor materials, which consists of electron-deficient aromatic diimides and a core with the quasi-three dimansional (3D) twisted structures. The designed materials combined the advantages of conjugated polymers and those of small molecular acceptors. With the twisted structures of the core the resulted materials possess a quasi-3D non-planar structures and isotropic optical and charge transport properties，as well as the formation of multiple charge transport networks. Meanwhile, the bulk heterojunction (BHJ) organic solar cells containing these M-D organic acceptors and suitable organic donors were fabricated by solution processing technology. The aim of this project is to achieve high performance M-D organic acceptors and the regular rules on the structure-performance relationship, as well as some valuable insights for further study on new type organic acceptor materials.

有机太阳能电池作为一种新型清洁能源技术，受到人们广泛的关注，成为有机电子学的研究热点。本项目针对制约有机太阳能电池发展的材料瓶颈—缺乏综合性能优异的有机光伏受体材料，在申请人前期工作的基础上，以缺电子的芳香二酰亚胺和具有立体结构的内核为结构单元，集成有机小分子和共轭聚合物光伏受体材料的优点，设计、合成一类具有光学/电荷传输各向同性和多维载流子传输通道的新型多维有机光伏受体材料，用溶液法制备该类多维受体材料与有机光伏给体材料构成的本体异质结太阳能电池器件，研究材料聚集态结构与器件性能之间的关系，筛选出综合性能优良的多维有机光伏受体材料，获得规律性认识，为新型有机光伏受体材料的发展提供研究思路。

有机半导体材料是有机电子器件的关键组成部分，成为有机电子学领域的研究热点。近年来，非富勒烯类有机半导体材料备受关注，然而目前电子受体单元设计、合成困难，缺乏综合性能优异的非富勒烯类有机半导体材料。我们针对这一科学问题，进行了创新性的分子设计，以具有扭曲结构的缺电子芳香二酰亚胺结合具有立体结构的内核为结构单元，设计、合成了系列具有光学/电荷传输各向同性和多维载流子传输通道的新型多维有机半导体材料。其中，具有扭曲结构的核扩展萘二酰亚胺衍生物(DTYM-NDI-DTYA)2具有各向同性的电子传输性能，用其作电子传输层的钙钛矿太阳能电池表现出较高的能量转化效率和较好的稳定性。基于扭曲结构的芳香联薁二酰亚胺衍生物类小分子BAzDI-2、BAzDI-5以及聚合物P(TBAzDI-TPD)、P(TBAzDI-TFB)应用于有机场效应晶体管均表现出单一极性的场效应电子传输，其中基于BAzDI-2、P(TBAzDI-TPD)的OFET器件分别表现出高达0.52和0.42 cm2 V-1 s-1的电子迁移率，基于P(TBAzDI-TPD)的全聚合物太阳能电池器件表现出1.82%的能量转换效率。基于新型电子受体单元䓛二酰亚胺构筑的D-A共轭聚合物P1，其场效应电子迁移率超过0.11 cm2 V-1 s-1，以P1为受体的全聚合物太阳能电池未经任何退火处理，能量转化效率高达7.52%，这是目前全聚合物太阳能电池较高能量转化效率之一。另外，我们利用分子间弱相互作用-卤键制备了有机复合半导体材料，研究表明卤键使有机半导体材料在薄膜态排列更有序，结晶性更强，卤键作用是获得高性能、稳定性良好、可溶液加工的有机复合半导体材料的一种有效方法，基于卤键的有机复合半导体材料有望应用于有机电子学其他领域。本项目提出的多维有机半导体材料的分子设计策略，不但合成了可溶液加工、稳定、各向同性传输的n-型有机半导体材料，也为未来新型有机半导体材料的研发提供了思路。