有机聚合物太阳能电池因具备成本低廉、材料合成工艺简单、容易加工和成膜、电池结构多样化等优点因而受到广泛关注^[1]。有机聚合物太阳能电池基于光伏效应的原理^[2]，其光电转换过程主要包括以下三个方面：（１）聚合物给体材料吸收光子使电子跃迁至激发态，产生激子；（２）激子在给体相扩散，当其扩散到给体和受体界面时，在给体材料的LUMO能级和受体材料的LUMO能级差作用下，通过电子转移分离为自由载流子；（３）自由载流子在内建电场的作用下迁移到正负两极形成电流回路。传统的聚噻吩类衍生物制备的电池光电转换效率（PCE）达到５%以上^[3]，但由于其带隙在2.0 eV左右，它只能吸收波长为650 nm以下的太阳光，而太阳光中相当大的一部分能量集中在800nm后的近红外区，因而存在对太阳光吸收不充分等问题。研究发现，带隙更窄的聚合物能吸收波长范围更宽的太阳光^[4]。因此，为了有效地利用太阳光的能量，研究的目光投向了带隙较窄的D-A型窄带隙共轭聚合物^[5]，其通常是由富电子基团（给体单元）和缺电子基团（受体单元）共聚而成。目前，给体单元一般采用噻吩和苯等富电子基团，按结构的不同，大致可划分为噻吩构建的给体单元、苯构建的给体单元以及噻吩和苯共同构建的给体单元^[2,6-7]。相比苯环，噻吩的供电子能力和电子离域能力都更优（如图1所示），因此，三者按供电子能力的相对强弱又依次分为强供电子基团、弱供电子基团和中等供电子基团。而受体单元在窄带隙共轭聚合物中的主要作用是调节聚合物的帯隙和能级，拓宽聚合物对太阳光的响应范围的同时得到较大的开路电压^[8]。受体单元必须具备拉电子能力强、共平面性好等特点^[9-10]。在诸多受体单元中， 吡咯并吡咯二酮（DPP，图2）因为具备优良的共平面性和强烈的拉电子能力成为了受体单元研究中的热门对象之一^[11-15]。首先，DPP单元的平面共轭结构使DPP类共聚物呈现强烈的π-π叠加，从而起到增强电荷迁移率的功效；其次，DPP内部的亚酰胺结构具有强烈的拉电子作用，加强了聚合物内部的电子转移（ICT），能较好地调控聚合物的能级和帯隙，拓宽聚合物对太阳光的响应范围和吸收谱带^[16-19]。

目前，基于富勒烯的有机太阳能电池虽然PCE较高，但其成本昂贵，不利于大量生产。而DPP作为一种优异的电子受体，其作为电子给体与电子受体时有机太阳能电池的PCE分别可达8%^[20]与5.1%^[21]，仍然有很大的发展空间。因此，发展具有更为优异有机太阳能电池效率的DPP小分子是当前该领域的研究热点之一^[22]。

2. 研究的基本内容与方案

本课题的研究（设计）的目标：

通过分子的设计与若干步的合成，得到基于DPP小分子的有机光伏材料，并通过表征确认其结构，得到它们的基本光学性质。最后将其应用在有机太阳能电池中，与不同的电子给体/电子受体搭配，测试其电池效率，筛选出新的具有优异电池性能的基于DPP结构的小分子。

本课题的研究（设计）的基本内容：

（1）经过分子设计与合成，得到若干个基于DPP结构的小分子有机光伏材料。

（2）材料表征：通过核磁共振氢谱（¹H-NMR）与碳谱（¹³C-NMR）、质谱（MS）、循环伏安法（CV）、紫外-可见光光谱仪（UV-Vis）等表征手段对合成的基于DPP的小分子进行表征。

（3）电池性能测试：与一系列的有机电子给体/电子受体进行搭配，制备太阳能电池并测试其PCE值，筛选出具有优异性能的DPP小分子。

拟采用的技术方案及措施：