硒杂二聚受体材料的合成及其高效稳定光伏器件性能研究

20251206

电力、热力、燃气及水生产和供应业

一、技术成熟度： 项目已提出“硒杂二聚化+位置异构化”的集成策略，完成了分子设计、合成路线规划与初步理论计算分析。 已合成出部分不对称硒杂单体，并初步验证了其光伏性能（单体器件效率达18.7%），但整体而言，该成果仍属于前瞻性、探索性的科学研究，尚未形成可规模化制备的材料体系或器件工艺。 二、工艺水平： 目前工艺处于实验室小试阶段，具备以下特征： 合成方法：采用多步有机合成路线（如Cadogan环化、Vilsmeier反应、Knoevenagel缩合等），路线复杂，收率与纯度尚未优化，不具备规模化生产条件。 器件制备：采用旋涂/刮涂工艺在手套箱中制备器件，依赖高纯度材料与精细工艺控制，尚未建立连续化、大面积制备工艺。 表征手段：依托校内分析测试中心（核磁、紫外、GIWAXS、AFM等），具备完整的材料与器件表征能力，但尚未建立标准化测试流程。 三、性能指标： 项目设定的高性能目标目前仅为理论目标，尚未实现。现有数据仅基于单体材料： 光电转换效率：硒杂单体器件效率达18.7%，为含硒受体材料记录值。 材料特性：已合成的硒杂单体具备强近红外吸收、高载流子迁移率等潜在优势。 四、科技成果转化阶段 尚未进入中试或产业化,团队构成以学术人员为主：项目组成员均为高校教师与学生，缺乏工程化、产业化背景人员。

一、资金需求 进一步研发资金：虽然已获得5万元资助，但后续中试放大、工艺优化、稳定性测试等需要更多资金支持。 产业化启动资金：用于建立小批量生产线、市场验证、专利申请与维护等。 合作融资需求：可与光伏材料企业、新能源科技公司合作，引入产业资本进行联合开发。 二、场地需求 中试实验室/车间：用于材料放大合成（克级至公斤级）、器件工艺优化、批次稳定性测试。 洁净间或封装车间：用于光伏器件的规模化制备与封装，保证器件性能一致性。 测试与表征平台：需具备标准化光电性能测试、老化测试、环境可靠性测试等场地。 三、设备需求 合成与纯化设备： 中试反应釜、纯化系统（柱层析、结晶设备） 高通量合成与筛选平台（如有） 器件制备设备： 旋涂/刮涂/印刷设备（适用于大面积器件） 真空蒸镀系统、手套箱集成系统 性能测试设备： 太阳能模拟器、量子效率测试系统 老化测试箱（光、热、湿） 形貌与结构表征：AFM、TEM、GIWAXS、单晶衍射仪等 数据分析与模拟平台： 高性能计算服务器，用于材料模拟与性能预测

仅限国内转让

社会效益

1. 推动清洁能源发展，助力“双碳”战略 项目成果可提升有机太阳能电池（OSCs） 的效率和稳定性，推动其在建筑光伏一体化（BIPV）、柔性可穿戴设备、室内光伏、航空航天等领域的商业化应用。 有助于减少对传统化石能源的依赖，降低碳排放，支撑国家“碳达峰、碳中和”目标的实现。
2. 促进新材料产业升级 硒杂二聚受体材料属于高端光电功能材料，其产业化将带动国内有机半导体材料、印刷电子、柔性电子等新兴产业的发展。 推动我国在高性能寡聚物光伏材料领域实现技术自主可控，减少对进口材料的依赖。
3. 提升科研与产业协同创新能力 项目成果可作为产学研合作的典型案例，推动高校科研与产业需求对接 可培养一批兼具科研能力与工程化思维的复合型人才，为新能源材料领域输送专业力量。
4. 拓展光伏应用场景 有机太阳能电池具有轻质、柔性、半透明、可溶液加工等优势，可在传统硅基光伏无法覆盖的场景（如曲面、移动设备、建筑幕墙等）中发挥重要作用。 有望推动光伏技术从“集中式发电”向“分布式、个性化能源”转型。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

主要内容：本项目围绕“硒杂二聚受体材料的合成及其高效稳定光伏器件性能研究”展开，重点完成了以下内容： 成功设计并合成了两类新型硒杂二聚受体材料 DASe-I 与 DASe-O，通过硒杂位置异构化与单体二聚化策略，构建了具有强近红外吸收、高迁移率与优异稳定性的寡聚物受体体系。通过核磁共振氢谱、紫外-可见吸收光谱等手段，系统表征了材料的结构、能级结构与光吸收特性。将合成的硒杂二聚受体与聚合物给体PM6匹配，制备了有机太阳能电池，并系统优化了器件工艺，实现了高效率与高稳定性的光伏性能。结合单晶结构分析、理论计算与形貌表征，揭示了分子结构对材料堆积行为、电荷传输及器件稳定性的影响机制。 重要结果：合成了两类新型硒杂二聚受体材料 DASe-I 与 DASe-O，将合成的硒杂二聚受体与聚合物给体PM6匹配，制备了有机太阳能电池，并系统优化了器件工艺，实现了高效率与高稳定性的光伏性能。 创新点：分子设计思想的创新：提出“硒杂位置异构化”与“二聚化”的集成新策略。传统的二聚受体多采用对称结构。本项目首次提出并实践了在核心桥连单元上集成硒杂原子与位置异构（DASe-I 与 DASe-O） 的双重不对称设计，实现了对分子能级、偶极矩、平面性和堆积模式的三维精细调控。硒原子的功能化引入，并非简单地将硫原子替换为硒原子，而是充分利用硒的独特优势：更强的醌式效应，有效增强分子内电荷转移，拓宽对近红外光的吸收范围，为获得高短路电流密度（Jsc）奠定基础。 科学价值：提出了“硒杂位置异构+二聚化”协同设计新策略，丰富了有机光电材料的构效关系理论，为寡聚物受体研究提供了新范式。开发了高效、稳定的硒杂二聚受体合成路线与器件工艺，推动了OSCs从实验室向产业化迈进。推动清洁能源技术发展，助力“双碳”目标实现；提升我国在有机光电材料领域的国际话语权与产业链自主性。项目契合国家能源战略，具有明确的社会导向性。材料在光催化制氢等能源转化领域展示出潜力，拓展了硒杂材料的应用边界。