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带共轭侧链的聚合物给体和茚双加成富勒烯受体光伏材料
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  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    TM914.4
  • 关键词:
  • 成果简介:
    聚合物太阳电池具有器件结构简单、重量轻和可制备成柔性和半透明器件等突出优点,是具有重要应用前景的清洁可再生能源。该项目针对聚合物太阳电池中的关键光伏材料---共轭聚合物给体和富勒烯衍生物受体光伏材料进行了系统深入地研究,取得了系列重要创造性研究成果。主要科学发现如下: (1)从2004年开始,针对当时聚合物给体光伏材料吸收光谱不够宽和空穴迁移率较低的问题,国际上首次提出通过共轭侧链拓宽吸收和提高空穴迁移率的分子设计思想,设计合成了一系列带共轭侧链的宽吸收二维共轭聚唾吩给体光伏材料。该类聚合物具有宽的可见区吸收、较低的HOMO能级和较高的空穴迁移率,这都有利于给体材料光伏性能的提高。一种带二(噻吩乙烯)共轭侧链的聚唾吩给体的光伏效率比最具代表性的聚(3-己基噻吩)(P3HT)提高了38%。该成果被国际同行肯定为带共轭支链的二维共轭聚合物的“Pioneeringworks”。 (2)在上述二维共轭聚噻吩的研究基础上,首次把噻吩共轭侧链引入到苯并二唾吩(BDT)结构单元上,合成了一系列基于带噻吩共轭侧链BDT单元的二维共轭聚合物。与对应的烷氧基取代聚合物相比,这类二维共轭聚合物吸收光谱有所拓宽、HOMO能级有所下移、空穴迁移率有所提高,作为给体光伏材料的光伏性能都有显著提高。其中基于噻吩取代BDT和羰基取代并二噻吩的二维共轭聚合物PBDTTT-C-T的光伏效率达到7.6%,为当年(2011年)聚合物太阳能电池的最高效率之一。这种二维共轭的结构设计思想得到了国际同行的广泛关注和发展,这类给体光伏材料被国际同行评价为取得了“the milestones”光伏效率。 (3)针对P3HT/PCBM体系受体LUMO能级太低导致器件开路电压低的问题,提出通过使用富电子的茚双加成来提髙C60的LUMO能级的思想,合成了茚双加成C60衍生物ICBA。ICBA的LUMO能级较PCBM上移0.17eV,以其为受体、P3HT为给体的光伏电池提高到0.84 V,效率达到6.48%。考虑到C70较CM较强的可见区吸收,该项目又进一步合成了茚双加成C70衍生物IC70BA。通过使用氯萘添加剂,基于P3HT/IC70BA的光伏器件效率提髙到7.4%,创造了基于P3HT光伏器件效率的新记录。ICBA被国际同行评价为"remarkable"双加成富勒烯衍生物。 该项目研究成果对聚合物太阳能电池光伏材料的研究起到了重要推动作用。8篇代表性论文包括dcc. Cheat. Res.(1篇)、J. Am. Chem. Soc. (2篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (1篇)、Adv. Mater. (2篇)、Energy Environ. Sci.(1篇)和Adv. Fund. Mater. (1篇)。这8篇论文已被SCI他引4427次,单篇最高他引1338次。主要完成人李永舫在相关国内外学术会议上作大会报告和邀请报告100多次,其中2012年在美国召开的IUPAC世界高分子大会上有关二维共轭聚合物给体光伏材料的邀请报告获得美国化学会高分子学术报告奖。突显该项目研究成果在国际上的重要影响。
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