新型聚方酸菁共轭高分子的设计、合成及光伏性能研究

Rapid progress has been made in the field of organic solar cells over the past several years. An important topic in this field is to develop highly efficient but low-cost organic photovoltaic materials, one of key factors to promote their future commercialization. Organic squaraine dyes can be easily prepared, and demonstrate very good photoelectric response, which therefore have been well recognized as one class of promising organic photovoltaic materials. Thus, this project will design and synthesize a new series of conjugated polymeric squaraine dyes as electron donors for bulk heterojunction organic solar cells, including Zigzag structure, two dimensional conjugated structure and terpolymer structure. The impacts of polymeric backbone structure, squaraine dyes and side-chain on the aggregate structure, photophysical properties, charge carrier transport and power conversion efficiency of resulting polymers will be studied systematically to reveal their structure-properties relationship. As a result, the study in this project would achieve high performance polysquaraine-based electron donors with suitable bandgaps, energy levels and high hole mobilities.

有机太阳能电池领域这几年获得了快速发展，其中如何制备高效且低成本的有机光伏材料是一个重要的课题，也是推动有机太阳能电池进一步商业化的关键之一。有机方酸菁染料分子简单易得，且具有良好的光电响应，是一类十分有潜力的有机光伏材料。基于此，本项目拟设计、合成系列结构新颖的聚方酸菁共轭高分子作为本体异质结有机太阳能电池的电子给体材料，包括蜿蜒型聚合物结构，二维共轭结构以及三元共聚物结构。通过详细研究聚合物主链结构、方酸菁分子结构、侧链基团对聚合物的聚集态结构、光物理性质、载流子传输以及光电转换效率的影响，探讨它们之间的构效关系，争取获得带隙、能级合适，且空穴传输能力强的高性能聚方酸菁给体材料。

有机方酸菁染料分子简单易得、吸收强、光稳定性佳、且具有良好的光电响应，是一类十分有潜力的有机光伏给体材料。但方酸菁分子存在空穴迁移率不高、与受体分子相容性不佳等问题。针对上述问题，本项目开展了系统研究，取得了如下研究成果：（1）通过末端基团优化，调控方酸菁分子间的堆积方式，进而发现“鱼骨”型聚集体相对于“砖墙”型聚集体可获得更高的空穴迁移率；（2）通过构筑“蝴蝶”-型方酸菁二聚体并结合侧链调控，增强方酸菁与PCBM受体的相容性以及在异质结薄膜中的空穴迁移率，最终获得4.38%的光电转换效率（PCE）；（3）提出构筑准二维聚方酸菁高分子的新思路，所得高分子PASQ-IDT与PCBM受体具有优秀的相容性，进而获得6.35%的PCE，是目前所报道的方酸菁高分子给体的最高值；（4）目前，很少有方酸菁分子能与非富勒烯受体相匹配，通过结构优化我们成功设计出可与稠环电子受体ITIC相匹配的宽带隙准二维聚方酸菁给体，获得3.72%的PCE。另外，还发现加工溶剂对聚方酸菁/ITIC异质结薄膜的形貌具有重要影响，对今后这类器件的制备和优化具有参考意义。除了上述成果，本项目还积极探索方酸菁染料在其他光电领域中的应用，譬如：1）发现聚方酸菁高分子一类具有优秀钝化作用的非掺杂空穴传输材料，用于正式全无机钙钛矿太阳能电池实现了15.5%的PCE，是当时同类器件的最高值之一；2）设计合成出具有聚集诱导发光的方酸菁染料，并应用于力致变色、次氯酸根传感、细胞成像等领域。基于本项目研究成果，共发表SCI论文15篇，其中包括应邀在材料期刊Adv Funct Mater上撰写关于方酸菁染料综述一篇。另外，获授权中国发明专利1项，培养研究生2名。