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“功能pi-体系的分子工程”先导B专项系列报道
  --化学所在新型近红外pi-分子材料的设计及应用上取得重要进展
2017-03-06 | 编辑:lidan | 【 】【打印】【关闭

  新型有机pi-分子材料的设计及其在有机场效应晶体管和有机太阳能电池中的应用是有机电子学的重要研究内容。近红外pi-分子材料具有宽吸收光谱和低能量带隙的特点,在光电器件中具有独特的性能。在中国科学院战略性B类先导科技专项支持下,化学所有机固体院重点实验室研究人员发展了一系列的近红外pi-分子材料,并应用到高性能的有机场效应晶体管和有机太阳能电池中。 

  近红外pi-分子材料的低能量带隙有利于制备双极性传输的有机场效应晶体管。针对这一优点,研究人员设计了一类以强吸电子的吡咯并吡咯二酮(DPP)为基元的共轭聚合物,通过精细调控共聚单元的吸电子能力来优化聚合物的能级,成功得到了具有双极性传输的薄膜场效应晶体管(空穴与电子迁移率分别为0.14cm2 V-1 s-1和0.11cm2 V-1 s-1)。进一步利用材料优异的结晶性能,研究人员通过原位溶剂挥发的方法制备共轭聚合物纳米线,并搭建纳米线场效应晶体管,将空穴与电子迁移率提高到5.47cm2 V-1 s-1和5.33 cm2 V-1 s-1,为当前最高的双极性迁移率之一。该研究发表在Adv. Mater.上,并以封面形式报道(Adv. Mater. 2015, 27, 4963.)。在此基础上,研究人员针对共轭聚合物的结晶性与迁移率的复杂关系,提出非对称共轭聚合物的设计策略,在DPP单元的两侧引入结构相似的两种芳香基团。研究发现,非对称结构可以极大改善共轭聚合物的溶解性,同时保持优异的结晶性能。以非卤素为溶剂对聚合物进行溶液加工,制备有机场效应晶体管,实现了12.5cm2 V-1 s-1的空穴迁移率(Adv. Mater. 2016, 28, 943.; Macromolecules 2016, 49, 6431.)。 

    

  图1 近红外共轭高分子在高性能有机场效应晶体管中的应用 

  近红外pi-分子材料的低能量带隙在有机太阳能电池中也具有独特的性能。传统观念认为,有机太阳能电池能量损失大于0.6 eV才能进行有效的电荷分离,这极大地限制了能量转换效率的进一步提高。研究人员以DPP类共轭聚合物为研究对象,通过引入吸电子的噻唑基元来调控聚合物的能级,使得给体与富勒烯受体的LUMO能级接近。基于这类材料的有机太阳能电池首次实现了低于0.60eV的能量损失,并且证实在低能量损失下电荷依然能进行有效分离,为有机太阳能电池的性能突破提供了新的途径(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2231.)。这项研究结果被JACS以spotlight的形式报道(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2787.)。 

  近期,研究人员在开发新型近红外pi-分子并作为电子受体应用于非富勒烯太阳能电池中取得新的进展。研究人员以具有强给电子基团和大pi-单元结构的卟啉为对象,利用卟啉多修饰位点的优势,将强吸电子的苝酰亚胺基元引入到卟啉的meso-位,成功合成出具有近红外吸收和高电子迁移率的星型卟啉分子。该分子作为电子受体应用到非富勒烯太阳能电池中,实现了300–850nm的宽光谱响应和7.4%的能量转换效率。相关论文以Very Important Paper和封面形式发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2694–2698上。 

    

  图2 卟啉类电子受体在非富勒烯太阳能电池中的应用 

    

  有机固体院重点实验室 

  2017年3月6日  

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