芳基二噁嗪类电子受体材料的设计合成及光伏应用

Due to the development of the electron acceptor and donor materials, the power conversion efficiencies (PCEs) of solution-processed bulk heterojuction organic solar cells (OSCs) increased very fast in the past years. Moreover, the best PECs of the non-fullerene-based OSCs are higher than those of the fullerene-based ones. However, to the non-fullerene electron acceptors, such as perylenediimide derivatives （PDIs）, there are still such problems of the poor absorption in visible region of solar spectra. To this end, in this project, we are focus on the triphenodioxazine derivatives, which exhibit high electron mobilities, strong absorption spectra in the visible region and very suitable electronic levels. Similarly with PBIs, the strong π-π aggregation of triphenodioxazine would affect the film morphology and therefore resulting low PCEs. To solve the problem, based on the idea of "global distortion and local conjugation", we design a series of conjugated triphenodioxazine derivatives. Because of the increase of the conjugated skeleton, the absorption spectra of the objects will also be extended. Furthermore, due to the local distortion of the non-planarity, the solubility of the materials would become better and prompt the formation of high quality of the active layer. Therefore, the new type of electron acceptors developed in this project are expected to achieve high PCEs of the OSCs.

近几年，有机太阳能电池快速发展，这主要得益于电池材料的研发和器件的优化。而且，目前非富勒烯型有机薄膜太阳能电池器件的性能已经超过了相应的富勒烯型电池器件。但是，以苝酰亚胺为代表的非富勒烯型电子受体材料还是存在着吸收波长偏短的问题，对太阳光的利用还有待提高。为此，本项目选择有机功能染料三苯二噁嗪为研究中心，该分子具有高的电子迁移率，强的可见光区域吸收光谱和非常合适的电子能级。但是该分子与苝酰亚胺类似，单分子存在过度聚集破坏薄膜形貌的关键性问题。因此，本项目依据“整体扭曲，局部共轭”的思想，设计了一系列芳基二噁嗪类的共轭大分子。由于共轭的增加，该系列分子的吸收光谱将得到延展，而且，由于核的局部扭曲非平面性，抑制中心核分子间过度的π-π堆积，使材料具备适中的溶解度，有利于其与电子供体共混形成高质量薄膜活性层。因此,应用本项目开发的新型电子受体材料，有望能获得更高的电池器件效率。

三苯二噁嗪染料是一类商业染料，染色性能优异，由于其梯型共轭结构，电荷传输性能优异，是一类潜在的性能优异的N-型有机半导体材料，但是由于大共轭结构分子之间很容易形成π-π堆积，而且当增大其共轭结构时，溶解性会变得更差，影响了其在有机电子学器件中的应用。本项目为了解决其溶解性差和缺少功能性应用的难题，申请人开展了两方面的研究：1）在三苯二噁嗪的两端并入酰亚胺的长烷基结构，阻止分子间的聚集；2）另一种策略是整体扭曲其共轭结构，在其活泼位点引入芳香共轭单元和通过单键偶联其多倍体的方法来扭曲其大平面结构，抑制分子自聚集，在不降低其电子迁移率的同时增加其有机溶剂溶解性的功效，然后将其应用到有机太阳能电池器件中，得到了较高的太阳能电池器件效率，有效地拓展了有机太阳能电池受体材料体系，实现了传统染料在能源领域的新应用，促进染料化学与有机电子学的交叉融合。