基于多元供体-受体的线型和星型有机光伏材料的合成及其溶液加工型有机太阳能电池的性能研究

针对溶液加工型本体异质结(BHJ)有机太阳能电池能量转移效率低的关键科学问题，设计合成含三芳胺（或7-烷基二噻吩并吡咯）供体D基元，二茚并噻吩基吡咯并吡咯二酮（或9-芴烯基丙二氰、二噻吩并环戊烯基丙二氰、二吡啶并吩嗪）受体A基元，联三噻吩（或噻吩、二噻吩并环戊烷）共轭π单元和蒽[或三(9-蒽苯基)苯]桥联体B单元的窄带隙、宽光谱响应、高迁移率的基于多元D-π-A的线型和星型有机光伏供体材料，研究分子内D、A、π和B单元结构，以及分子构筑方式对有机光伏材料的紫外吸收、载流子迁移、电化学、热稳定性、成膜性和光伏等性能的影响，探索BHJ有机太阳能电池的器件结构与光伏性能的关系，获得自主创新的、窄带隙、宽光谱响应、高迁移率的有机光伏材料及其高效溶液加工型BHJ有机太阳能电池。本项目对于揭示高效有机光伏材料的分子设计规律，创新有机光伏材料，提升溶液加工型BHJ有机太阳能电池性能，具有重要的意义。

针对目前小分子光伏供体品种少、光电转化效率不高等问题，本项目以三芳胺（N-烷基咔唑、螺芴、烷基噻吩）为供体（D和D'）单元，噻吩基吡咯并吡咯二酮（苯并噻二咗、异靛蓝）为受体（A）单元，蒽（芘、萘并芘、苯并二吡啶噻吩、噻吩并噻吩）为稠环芳基 (Ar)单元，1,3,5-三苯基苯（1,3,5-三(4-己基噻吩基)苯）为中心桥联（B）单元，噻吩（或并噻吩或炔基）为嵌入的共轭π单元，构筑了A-Ar-A、D-A、Ar(A-D)2、Ar(D-A)2、D'-A3、D'(Ar-A)3、D'(A-D)3、D'(Ar-A-D)3、D'(A-Ar-D)3、D'(A-π-D)2、D'(A-π-D)4、B(π-A-D)3、B(Ar-A-D)3等多种分子构架的线型和星型小分光伏供体材料。其中，Ar和D'单元同时也是桥联B单元。通过调节分子内D、D'、A、Ar、B、π等单元的结构和分子的构筑方式，研究分子结构、器件结构、器件制作工艺与器件光伏性能的关系，获得了多种自主创新的、具有窄带隙，宽光谱响应和高载流子迁移率的基于多元供体-受体的线型和星型有机小分子光伏供体材料。. 以小分子给体材料，PCBM衍生物受体材料制备了溶液加工型本体异质结（BHJ）有机太阳能电池（OSCs）器件。通过优化器件结构和器件制备工艺，获得了光伏性能显著改善的BHJ-OSCs器件。其中，以芘（Py）为中心桥联Ar单元，噻吩基吡咯并吡咯二酮为（DPP）为A单元构筑的A-Ar-A线型小分子光伏供体材料C8DPP2Py，其BHJ-OSCs器件的能量转化效率（PCE）达到了5.67%。以三苯胺为中心桥联D'单元，苯并噻二唑为A单元，噻吩并噻吩为嵌入Ar单元，咔唑为末端D单元构筑的D'(A-Ar-D)3星型小分子光伏供体材料TPA(BT-TT-3Cz)3, 其BHJ-OSCs器件的PCE为3.29%。以螺芴为中心桥联D'单元，苯并噻二唑为手臂A单元，噻吩为嵌入共轭π单元，咔唑为末端D单元构筑的D'(A-π-D)4四臂型小分子光伏供体材料SF(BT-T-3Cz)4，其BHJ-OSCs器件的PCE为4.37%。 . 项目的实施揭示了具有窄带隙，宽光谱响应和高载流子迁移率的有机光伏材料的分子构筑规律，为有机小分子光伏材料分子设计及其高效的有机太阳能电池的构筑提供了理论参考。