噻吩并吡咯类不对称稠环电子受体的设计合成及光伏性能研究

The regulation of active layer is the key to further improving the power conversion efficiency (PCE) of organic solar cells (OSCs). Compared with traditional fullerene derivatives, non-fullerene acceptors have great advantages in structural innovation, energy level regulation and bandgap control. At present, there are relatively few types of non-fullerene acceptors reported in the literature. This project innovatively proposes the application of thiophenopyrrole-based asymmetric fused-ring non-fullerene acceptors. The targeted asymmetric non-fullerene acceptors are well optimized through the introduction of different thiophenopyrrole-based π-conjugated asymmetric electron-donating (D) building blocks, the modification of side chains and the regulation of different A-D-A based molecular engineering, which can fine tune the energy levels, bandgap and the spectral absorption of the derivate materials. High-performance OSCs will be revealed through integrating the designed thiophenopyrrole-based asymmetric fused-ring acceptors, the device optimization and device engineering. The implementation of this project provides a new method for molecular design in pursuing high-performance non-fullerene OSCs. It is also of great significance to reveal the influence of molecular structure on the properties of thiophenopyrrole-based asymmetric fused-ring acceptors, the molecular design rule and the promotion of theory and application for OSCs.

活性层的调控是有机太阳能电池能量转换效率进一步提高的关键。相比传统的富勒烯衍生物受体材料，非富勒烯受体材料在结构创新、能级调控、带隙控制等方面具有巨大优势。目前国内外文献报道的非富勒烯受体结构种类相对较少，本项目创新性地提出了系列不对称噻吩并吡咯稠环单元在非富勒烯受体分子工程领域的应用。通过不同电子特性稠环结构的引入、侧链修饰和末端基的遴选优化分子结构，实现该类不对称有机小分子受体材料的能级、带隙和光谱吸收特性的精细控制；通过给受体匹配和器件优化工艺，获取高效率能量转换效率器件。该项目的实施为高效率器件的分子设计提供新的思路，对揭示不对称稠环受体材料分子结构对材料性质的影响规律、材料分子结构与光伏性能之间的构效关系和推动有机太阳能电池的理论和应用研究具有重要意义。

绿色能源技术创新是提高产业和经济全球竞争力的有效途径。本研究针对有机太阳能电池能量转换效率瓶颈及稳定性的问题，通过开发新型的不对称噻吩并吡咯类π共轭供电单元和吸电单元，应用于高效不对称非富勒烯受体材料的设计合成中；优化非富勒烯受体材料的能级、带隙，使之与中、宽带隙的给体材料相匹配，从而保障给体和受体材料之间的能级差足以满足激子的有效解离、降低光电转换中的能量损失；结合传输层优化、界面工程、三元体系等手段，提高器件的光伏性能；并探索了有机光伏在稳定性及半透明领域的潜力。N-官能化的己基噻吩并[3,2-b]噻吩二维侧链在不对称受体中可以起到形貌微整的作用，使其具有提高稳定性的潜力。优异的热稳定性和光稳定性归因于活性层中给受体优异的混溶性、诱导有序纤维形态的保持。侧链工程是优化非富勒烯受体材料光伏性能的有效策略之一。给受体的配伍、活性层的形貌微调、及多组分活性层可调节活性层具有更好的相分离和电荷传输，结合传输层优化获得了PCE超过18%的优异光伏器件，为有机太阳能电池的效率提升提供了实验参考及借鉴意义。有机光敏活性材料因其独有的离散吸收特征，使其具备紫外、近红外强吸收和同时可见区的高透过性质，成为理想的半透明光伏器件光敏活性层。透明有机光伏（TOPV）满足建筑集成窗口的需求，而高效TOPV的关键挑战是平均可见光透射率（AVT）和能量转换效率（PCE）之间的权衡。与无ABPF的对照组相比，有ABPF的TOPV在AVT和LUE中表现出约60%的大幅增加。5.35%的LUE作为单结TOPV的评价指标是文献中的最高值。此外，ABPF结构可以在一定程度上延长活性层暴露于湿气和氧气的时间，从而提高器件稳定性。这种非周期带通电极的光学设计可以普遍应用于高效TOPV，从而显著促进TOPV的商业化潜力。