卟啉电子受体材料的结构设计与性能调控

20251216

科学研究和技术服务业

目前所有成果均为实验室小试结果，未经中试放大研究。

先合作进行中试实验，然后再进行放大研究

仅限国内转让

通过发展可规模化合成的卟啉基受体材料，提升其溶解性与成膜性；深化分子内电荷传输机制研究，指导高性能GMA与多聚体受体设计； 推进三元与叠层器件结构优化，实现效率＞20%且T80寿命＞1000小时的目标。

北京市自然科学基金项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

一、研究背景与目标 有机太阳能电池（OSCs）作为新一代光伏技术，具有柔性、轻质、可溶液加工等优势，但其商业化仍面临效率与稳定性的双重挑战。当前高效率体系多依赖于Y6类小分子受体，但存在稳定性差、加工性不佳等问题。本项目围绕“结构??性能”关系，系统设计并合成了一系列基于卟啉与Y6的新型电子受体材料，旨在突破Y6体系的技术瓶颈，为高效稳定有机太阳能电池的开发提供理论与材料基础。 二、主要研究内容与成果

1. 聚合物受体材料的创新设计 通过“小分子受体聚合物化”策略，设计合成了多个系列的聚合物受体材料： PN系列：在Y6型受体中引入不同比例的NDI单元，增强短波吸收，最高器件效率达9.35%。 PTH系列：在主链中引入非共轭己基噻吩单元，显著提升材料溶解性与加工性，器件效率超过10%，其中PTH73体系效率达10.52%。 这些工作验证了通过共聚单元调控吸收、能级与形貌的可行性，为全聚合物太阳能电池提供了新材料体系。 2.链式二聚体受体的高效稳定三元体系 设计合成了具有高玻璃化转变温度（Tg = 136°C）的链式二聚体受体DY-P2EH。该材料虽与给体PM6混溶性较差，但热稳定性突出。通过引入高效近红外吸收受体BTP-ec9作为第三组分，构建了三元共混体系： 效率突破：三元器件效率达19.09%，填充因子（FF）高达80.61%。 稳定性优异：在85°C热应力下1100小时后，效率保持率超过85%。 机理创新：首次揭示该体系中**分子内超交换耦合（43.7 meV）对性能的贡献远大于分子间作用，为材料设计提供了新原则。 3.侧链工程调控受体堆积行为 在三烷基硅氧基侧链修饰的Y6衍生物中，发现线性侧链（BTPSi-Bu）有利于分子平面性与紧密堆积，器件效率达17.51%。该研究证明侧链拓扑结构可有效调控结晶性与相分离形貌，为高性能受体设计提供了侧链工程范例。 4.卟啉基A-D-A型小分子受体的构建 从卟啉的meso位和β位分别构筑A-D-A型小分子受体，成功合成ICT-P-ICT与Por-Iod。 结构表征：材料具有良好平面性与红移吸收，HOMO/LUMO能级适合与常用给体匹配。 光伏性能：Por-Iod器件效率达2.30%，是当前卟啉基受体中较高水平。 问题与展望：材料溶解性差、聚集性强导致成膜性不佳，后续需通过引入柔性侧链或优化端基结构以提升器件性能。
2. n型连接臂巨型分子受体的异构体研究 设计合成了连接位点异构的巨型分子受体i-BT-DY（同侧连接）与o-BT-DY（对侧连接）。研究发现： i-BT-DY具有更强的分子内超交换耦合与离域化LUMO分布，效率达18.86%。 o-BT-DY虽结晶性更好，但分子内电荷传输受限，效率仅12.41%。 三元应用：i-BT-DY作为第三组分与D18:L8-BO共混，效率提升至19.49%，是目前GMA基三元体系的最高值之一。 三、重要理论认识与技术突破 1.聚合物化与柔性单元协同：通过共聚与柔性单元引入，可同步提升材料稳定性与加工性。 2.三元共混与分级形貌设计：利用“低混溶主体+高混溶客体”策略，可实现效率与寿命的协同优化。 3.分子内电荷传输主导：在链式受体与GMA体系中，分子内超交换耦合成为性能决定因素，颠覆了传统“分子间堆积主导”的认知。 4.卟啉β位连接新路径：证实从卟啉β位构筑受体是提升平面性与光电性能的有效策略。 四、成果影响与展望 本项目通过多体系材料的设计、合成与机理研究，推动了有机光伏材料从“经验探索”向“理性设计”的转变。共发表高水平SCI论文多篇，申请发明专利若干项。研究成果为高效、稳定、可加工的有机太阳能电池材料开发提供了新思路与新体系，具有较强的科学价值与应用潜力。 未来工作将围绕以下方向展开： 发展可规模化合成的卟啉基受体材料，提升其溶解性与成膜性；深化分子内电荷传输机制研究，指导高性能GMA与多聚体受体设计； 推进三元与叠层器件结构优化，实现效率＞20%且T80寿命＞1000小时的目标。