离子型有机共轭小分子界面材料的合成及光伏性能研究

Conjugated polyelectrolytes (CPEs) are widely used in photovoltaic devices as solution-processable interfacial materials to improve the efficiency and stability, due to the solubility in polar solvents, The research of CPEs in interfacial materials is currently focused on the modification of work function of electrode and morphology of photoactive layer. However, the basic structural requirements, such as conjugated backbone and pendant ion, to the cathode and anode interfacial materials are not clear, which should be first clarified in the design and synthesis of new effective interfacial materials. Due to the well-defined chemical structures and convenient modification of ionic conjugated organic molecules, this project plans to synthesize a series of ionic conjugated organic molecules, systematically modify the chemical structures, and clarify the fundamental relationship between chemical structures and performance parameters of corresponding devices. According to the project we are going to design and synthesize ionic conjugated molecules in an A-B-A structural style, research the effect of conjugated unit with various electrical properties (from electron-rich thiophene to electron-deficient 2,1,3-benzothiadiazole) and ionic types (cationic quaternary ammonium, zwitterion and anionic sulfonate ) to interfacial modification properties and device parameters, find out highly efficient cathode and anode interfacial materials and pave the way to design and synthesis of various solution-processable interfacial materials for highly efficient organic solar cells.

共轭聚电解质易溶于极性溶剂，可通过溶液法制备多层器件，改善光伏器件界面性能和提高效率，是有机太阳能电池的研究热点之一。目前共轭聚电解质界面材料的研究主要集中在调节电极功函以及活性层形貌上，对于什么结构的材料（共轭主链和离子类型）能够起到阴极或阳极界面修饰作用则不甚清楚，而这是设计合成新的高效界面材料所必须首先澄清的。本项目拟设计合成一系列离子型有机共轭小分子，利用其结构确定、易于修饰等特点，系统调节材料化学结构，阐明分子化学结构与材料界面修饰性能之间的内在规律。围绕目标拟设计合成具有A-B-A三段式结构的离子型有机共轭小分子，研究分子不同电学性质共轭单元（富电子噻吩到缺电子苯并噻二唑）和离子部分离子类型（阳离子季铵盐、两性离子和阴离子磺酸盐）对材料界面修饰性能和器件参数的调控规律，筛选出高效的阴极和阳极界面修饰材料，为设计合成丰富的高效可溶液加工的界面修饰材料提供前期基础和理论指导。

离子型有机界面材料具有良好的器件界面修饰功能，是目前有机光电材料的研究热点之一。小分子材料合成纯化工艺简单，结构确定，聚合物材料成膜性好，本项目先后设计合成了小分子和聚合物离子型界面材料，系统研究了材料化学结构、成膜性以及器件结构与离子材料界面修饰性能之间的内在关联。我们发现由于非共轭小分子离子材料较差的膜形貌，其倒置结构器件效率较差，但通过引入PEG改善界面层膜形貌同时得到了高效率的正型和倒置结构有机太阳能电池器件；系统研究了EDTA界面材料中离子类型与数量对器件受外加电场影响的调控规律，发现氢离子的移动是这一现象的主要原因；设计合成了与活性层给体材料有相同共轭主链的低能系聚电解质，发现相同的共轭主链保证了界面材料良好的成膜性和界面修饰性能，侧链离子对于材料的迁移率和能级也有一定的调控作用；进一步拓宽了两性离子界面材料在光伏器件中的应用范围，发现羧基两性离子材料在钙钛矿太阳能电池中也有很好的阴极界面修饰作用，并进一步研究了羧基衍生物在钙钛矿中的界面修饰作用，得到了高效稳定钙钛矿太阳能电池器件。发表影响因子大于3的SCI论文9篇，两性离子界面材料在倒置器件中的工作得到了国内外同行（Shen-Ming Chen、Yang Yang）的认可。本项目的顺利实施拓宽了人们对有机离子界面材料种类的认识，深入阐明了界面材料结构、形貌与器件性能之间的内在关联，有助于人们设计合成新的高效有机界面材料和对材料结构与器件性能的深入理解。