V形咔唑衍生物的合成及荧光性质

以N-烷基咔唑作为电子给体和共轭桥中心, 二米基硼作为端基电子受体, 合成了两个V形A-π-D-π-A型新化合物: 3,6-二{[(E)-2-(5-二米基硼)噻吩]乙烯基}-N-丁基-咔唑 {N-butyl-3,6-bis{(E)-2-[5-(dimesitylboryl)thiophen-2-yl]-vinyl}-carbazole, BBTC}和3,6-二[(E)-(4-二米基硼)苯乙烯基]-N-己基-咔唑, {N-hexyl-3,6-bis[(E)-4-(dimesitylboryl)-styryl]-carbazole, BBSC}. 这两个化合物在蓝绿光波段都有较强的荧光发射. 光谱数据表明, 扩大共轭体系并在端基引入含硼基团导致吸收谱和发射谱显著红移, 并增大分子内电荷转移.     

基于二噻吩并吡咯π桥的窄带隙非富勒烯受体材料在有机太阳能电池中的应用

以不同烷基取代的二噻吩并吡咯(DTP)为π桥,连接吲哒省并二噻吩(IDT)中间单元和氰基茚酮(IC)或二氟代氰基茚酮(2F-IC)末端基团,设计并合成了6个窄带隙的非富勒烯受体材料。 其中,IDTDTP-C₂C₂-H和IDTDTP-C₂C₂-F中的DTP单元以1-乙基丙基为侧链,IDTDTP-C₆C₆-H和IDTDTP-C₆C₆-F中的DTP单元以1-己基庚基为侧链,IDTDTP-C₁₂-H和IDTDTP-C₁₂-F中的DTP单元以十二烷基为侧链。 6个分子均具有较窄的光学带隙(1.37~1.44 eV)。 相比于以IC为末端基团的分子(IDTDTP-C₂C₂-H、IDTDTP-C₆C₆-H和IDTDTP-C₁₂-H),由于氟原子的拉电子效应,以2F-IC为末端基团的分子(IDTDTP-C₂C₂-F、IDTDTP-C₆C₆-F和IDTDTP-C₁₂-F)具有红移的吸收光谱,以及更低的最高分子占有轨道能级(HOMO)和最低分子空轨道(LUMO)能级。 以宽带隙聚合物聚[2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基))噻吩-2-基)-苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-alt-5,5-(1',3'-二-2-噻吩)-5',7'-双(2-乙基己基)-苯并[1',2'-c:4',5'-c']二噻吩-4,8-二酮](PBDB-T)为给体材料,制备了有机太阳能电池器件。 PBDB-T:IDTDTP-C₆C₆-F共混薄膜具有较高且更平衡的空穴/电子迁移率,以及良好的形貌,基于PBDB-T:IDTDTP-C₆C₆-F的有机太阳能电池获得了6.94%的能量转换效率,开路电压为0.86 V,短路电流密度为13.56 mA/cm²,填充因子为59.5%。     

聚乳酸/聚苯乙烯共混物的热氧稳定性研究

通过溶液浇铸法制备了聚乳酸/聚苯乙烯共混物,以差热-热重分析研究了共混物的热氧稳定性,结果表明聚乳酸中引入聚苯乙烯,可以增强聚乳酸/聚苯乙烯共混物的热氧稳定性.采用红外光谱分析了共混物不同结构的分子链间相互作用,证实聚乳酸大分子链羰基的未共用电子对和聚苯乙烯大分子链侧基苯环的π电子形成了n-π键.     

D-π-A型共轭聚合物的合成及其光伏性能

设计合成了3种主链相同、侧基不同的Donor(D)-π-Acceptor(A)型共轭聚合物:聚[(4,8-二辛氧基苯[1,2-b;3,4-b]二噻吩)-(9-(4-氰基苯基)-9H-咔唑)](PBDTCz-CN)、聚[(4,8-二辛氧基苯[1,2-b;3,4-b′]二噻吩)-(9-(4-醛基苯基)-9H-咔唑)](PBDTCz-CHO)和聚[(4,8-二辛氧基苯[1,2-b;3,4-b]二噻吩)-(9-(4-硝基苯基)-9H-咔唑)](PBDTCz-NO_2)。通过调变侧基上的受体基团,比较了氰基、醛基、硝基对聚合物光学和电学性能的影响,讨论了影响聚合物光电转换效率的主要因素。3种聚合物的光学带隙和线性吸收系数依次分别为2.32 eV,152.0 L/(g·cm);2.43 eV,58.5 L/(g·cm)和2.25 eV,85.5 L/(g·cm)。在这些聚合物中,彼此间的最高占据分子轨道(HOMO)能级差距很小,PBDTCz-NO_2的最低未占据分子轨道(LUMO)能级最低(-3.38eV)。在100 W/m~2模拟太阳光的照射下,基于这些聚合物的光伏器件(器件结构:ITO/PEDOT:PSS/Polymer:[70]PCBM(1:2)/Ca/A1)的光电转换效率分别为0.44%(PBDTCz-CN)、0.001 8%(PBDTCz-CHO)和0.23%(PBDTCz-NO_2)。低的光电转换效率主要归因于低的短路电流,而影响短路电流的主要原因有自身吸光性能的限制和弱的π-π堆砌作用。     

菲咯啉铜配位席夫碱基导电聚合物的制备和电化学性能

以邻联甲苯胺和对苯二甲醛为原料制备席夫碱OTTP,并在席夫碱中掺杂不同比例的菲咯啉铜配合物,合成了菲咯啉铜配位席夫碱基导电聚合物[Cu(Phen)Cl₂]_X-OTTP(X为席夫碱与菲咯啉铜配合物的物质的量之比,X=1、0.8、0.6、0.4、0.2)。通过扫描电子显微镜、X射线衍射和傅里叶红外光谱等对产物的形貌结构等进行分析,通过循环伏安法、恒流充放电法和电化学阻抗谱分析了[Cu(Phen)Cl₂]_X-OTTP电极的电化学性能。表征结果表明席夫碱聚合物被不同比例的菲咯啉铜配合物掺杂后,形貌产生变化,片状的席夫碱表面产生很多孔隙,片状结构被破坏,基本单元结构的π-π堆积相互作用受影响,为电荷储存与电子交换提供丰富电活性位点。在6 mol·L^-1KOH电解质的三电极系统下,[Cu(Phen)Cl₂]_0.4-OTTP在电流密度为0.5 A·g^-1时具有278mAh·g^-1的高比容量。混合装置超级电...     

一例具有可逆热诱导电荷转移行为的二维氰基桥联WⅤ-CoⅡ配合物

具有不同自旋态的磁性双稳态材料因在存储器件和分子开关领域具有广泛的应用前景而备受关注。本文报道了一种基于W^Ⅴ-Co^Ⅱ电荷转移过程的新型磁性双稳态化合物。通过将4-((2-萘-1-基)乙烯基)吡啶(4-nvp)引入氰基桥接的W^Ⅴ-Co^Ⅱ层框架中,合成了一例氰基桥联二维双金属网络配合物{[W^Ⅴ(CN)₈]₂[Co^Ⅱ(4-nvp)₄]₃}·4CH₃OH (1),其中辅助配体4-nvp可以提供分子内和分子间π-π相互作用。磁性研究结果表明,化合物1表现出可逆的电子转移耦合诱导自旋转变行为(ETCST)。该过程使体系自旋态由W^Ⅴ—CN—Co^Ⅱ_HS(HS=高自旋)变到W^Ⅳ—CN—Co_LS^Ⅲ(LS=低自旋),并伴随着宽度为27 K的...     

一种新型低带隙共轭聚合物的合成及其光学性质

在钯催化剂作用下, 通过4,7-二(5-溴-2-噻吩基)[2,1,3]苯并噻二唑与2,5-二乙炔基-3-辛基噻吩的偶联反应, 合成了一种新的共轭高分子聚4,7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑-3-辛基噻吩二炔(PTE-DTBT). 通过紫外可见吸收光谱及荧光光谱对其光学性质进行了研究. 紫外-可见吸收谱结果表明, PTE-DTBT的固体膜光学带隙为1.71 eV; 电化学测试其带隙为1.88 eV. TiO₂/PTE-DTBT共混固体膜的荧光发射谱结果表明电子供体PTE-DTBT分子与电子受体TiO₂分子间存在有效的电子转移.     

基于不同长度烷基侧链的s-四嗪基聚合物合成及性能研究

以s-四嗪作为拉电子结构单元(A),以二氟取代四噻吩衍生物作为推电子结构单元(D),并分别以2-己基癸烷基,2-辛基十二烷基,2-癸基十四烷基作为侧链,设计并合成了三种D-A型聚合物光伏材料P(Tet-T16)、P(Tet-T20)和P(Tet-T24)。研究结果表明,具有最短烷基链的聚合物P(Tet-T16)表现出最弱的分子间π-π堆砌,而具有合适长度烷基侧链(2-辛基十二烷基)的聚合物P(Tet-T20)具有最强的分子间相互作用和最有规律的分子堆砌,这更有利于载流子的传输。因此,基于P(Tet-T20)/PC_(71)BM的聚合物太阳能电池器件表现出最佳光伏性能(PCE=5.10%)。同时,由于三种聚合物的HOMO能级都低于-5.56 eV,三种富勒烯PSCs器件的开路电压(V_(oc))均高于1.00 V,其中,基于P(Tet-T24)的PSC表现出1.04 V的高V_(oc)值,这是目前报道的以s-四嗪基聚合物作为给体材料的PSCs中的最高V_(oc)值。但过低HOMO能级与高性能非富勒烯受体的HOMO能级不匹配,限制了其在非富勒烯PSCs中的应用。     

协同富勒烯和非富勒烯受体提高卟啉全小分子三元有机太阳能电池的性能

将非富勒烯受体2,2′-{(2Z,2′Z)-[4,4,9,9-四(对己基苯)-4,9-二氢-S-引达省并二噻吩-2,7-二基]双(甲基亚基)}-双-(3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-2,1-二亚甲基)二丙二腈(IDIC)作为第三组分引入小分子给体卟啉二聚体ZnP2-DPP和富勒烯(6,6)-苯基-C61-丁酸甲酯(PC₆₁BM)受体体系,构建了光电转换效率达12.18%的全小分子有机太阳能电池,高于ZnP2-DPP∶PC₆₁BM的9.47%和ZnP2-DPP∶IDIC的8.82%的光电转换效率.IDIC的引入扩大了光谱的吸收范围,并且促进了给受体之间的电荷转移,使得三元共混物中可以产生更高的光电流.另外,IDIC的加入优化了共混膜的形貌,分子取向也得到了明显的调整,形成了face-on和edge-on的混合取向,从而使活性层中形成了更有利的三维电荷传输通道,促进了短路电流密度和填充因子的提高.这种策略发挥了富勒烯和非富勒烯受体的优势,从而提高了有机太阳能电池的4个参数.     

基于一种新型聚噻吩衍生物为给体的非富勒烯聚合物太阳能电池（英文）

在各种共轭聚合物给体材料中,以聚3-己基噻吩为代表的聚噻吩衍生物因其结构简单、易制备以及良好的空穴传输性能,在富勒烯衍生物为受体材料的聚合物太阳能电池体系中一直是研究重点之一。但是在近年来发展迅速的稠环小分子非富勒烯体系中的相关研究较少。在本工作中,我们通过在噻吩侧链引入烷硫基和氟取代基,设计合成了一种新型的聚噻吩衍生物给体PBSBT-2F;并对其吸收光谱、分子能级、传输性能以及光伏性能进行研究。基于PBSBT-2F:ITIC的聚合物太阳能电池取得6.7%的能量转换效率,其中开路电压为0.75 V,短路电流为13.5 mA·cm~(-2),填充因子为66.6%。结果表明:PBSBT-2F在非富勒烯体系中有很大的应用潜力。     

基于吩噻嗪供体的敏化染料的合成及其光电性质

以吩噻嗪为供体,设计并合成了具有D-A-π-A或D-π-A结构的有机敏化染料2-氰基-3-{5-[7-(10-己基吩噻嗪-3-基)-苯并[1,2,5]噻二唑-4-基]-2-噻吩基}-丙烯酸(CVBTP)和2-氰基-3-{5-[7-(10-己基吩噻嗪-3-基)-2-噻吩基}-丙烯酸(CVTP)。在结构表征的基础上,研究了结构变化对敏化染料的光物理性质、电化学性质和光伏性能的影响。结果表明,在染料CVTP的D-π-A结构链上插入受体苯并噻二唑单元,得到的具有D-A-π-A结构的染料CVBTP的带隙变小,共轭体系变大,光吸收性能得到明显提升。CVBTP、CVTP的HOMO能级分别为-4.83、-4.82eV,LUMO能级分别为-2.85、-2.28eV,均与常见电解质I-/I-3(-4.60eVvs vacuum)和TiO2导带能级(-4.40eVvs vacuum)相匹配,都可用作DSSCs的敏化染料,但与CVBTP相比,CVTP具有更适合的LUMO能级和较好的光伏性能。     

D-π-A-π-A结构有机光敏染料的合成及其在太阳能光电转化和光解水制氢中的应用

选择N,N'-二甲基苯胺作为电子给体,乙炔基和苯基作为π桥键,苯并噻二唑基团作为辅助受体,氰基丙烯酸为电子受体设计合成了一个具有D-π-A-π-A结构的有机染料OD2。对该染料的光谱性能和电化学性能进行了研究,并将其用作光敏剂引入太阳能光电转化和光解水制氢领域。当OD2应用于光伏领域：在AM1.5（100 mW·cm^-2）的光强下,OD2敏化的电池的光电转化效率（η）为4.40%（短路电流密度（J_sc）=10.58 mA·cm^-2,开路电压（V_oc）=630 mV,填充因子（FF）=0.65）;当OD2应用于染料敏化可见光催化制氢领域：在300 W氙灯光源可见光照射10 h,OD2敏化的Pt/TiO₂在pH=7.0,10%（φ,体积分数）三乙醇胺水溶液中的催化转化数（TON）为140,相应的表观制氢量子产率（Φ_H2）仅为0.42%。显然,OD2在光电转化领域比可见光催化分解水制氢领域更具有应用潜力。     

新型基于二氟苯并噻二唑和双噻吩丙烯腈共轭聚合物的设计、合成及光伏性能

设计并合成了两种基于5,6-二氟苯并噻二唑和双噻吩丙烯腈单元的D-A型共轭聚合物,聚[(5,6-二氟-苯[c][1,2,5]噻二唑-4,7-基)-交替-((E)-2,3-双(3'-(2-辛基十二烷基)-(2,2'-双噻吩)-5,5'-基)丙烯腈)](DFBT812)和聚[(5,6-二氟-苯[c][1,2,5]噻二唑-4,7-基)-交替-((E)-2,3-双(3'-(2-癸基十四烷基)-(2,2'-双噻吩)-5,5'-基)丙烯腈)](DFBT1014)作为聚合物太阳电池的给体材料。通过侧链工程,引入了2-辛基十二烷基和2-癸基十四烷基侧链实现对聚合物的溶解性,结晶性以及共混膜形貌的调节。研究结果表明,共轭聚合物DFBT812与PC_(61)BM的共混膜表现出更好的相分离尺度,能够促进载流子的传输和抽取。基于共轭聚合物DFBT812的太阳电池器件取得了0.87 V的开路电压和6.25%的能量转换效率。除此之外,基于DFBT812的聚合物太阳电池器件在活性层厚度为220 nm时仍然表现出6%的能量转换效率。     

基于苝二酰亚胺类非富勒烯受体共混体系凝聚态结构调控

非富勒烯太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势,已经成为太阳能电池领域发展趋势。在高性能材料开发及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破11%。其中,苝二酰亚胺(PDI)类分子价格低廉且具有良好的稳定性及较高的电子迁移率,已经发展成为重要的非富勒烯受体材料。然而,PDI类材料刚性稠环结构使得分子间具有强烈的π-π相互作用(受体-受体分子间及给体-受体分子间),导致共混体系相分离尺寸可控性差,给受体分子间共混程度难于调控,从而发生严重的成对以及非成对电荷复合。本文从分子间作用力入手(溶剂-溶质、给体-受体分子间作用力)详述了非富勒烯共混体系相分离结构、相区尺寸及共混相含量调节的相关原理及方法。研究表明基于PDI共混体系,固-液相分离及分子扩散能力是决定相分离结构的本质因素,通过调控给受体比例及热退火温度实现了孤岛及互穿网络结构的构筑。同时,通过平衡受体分子间π-π作用及给受体间电荷转移,实现了低相容性及高相容性共混体系相区尺寸的可控调节。在此基础上,利用添加剂手段通过调节溶剂与溶质分子间的溶度参数差值,实现了薄膜内共混相的可控调节,并针对具有不同相容性共混体系给出了添加剂的选择原则。     

通过非共价构象锁定和端基工程策略设计高效率的A-D-A型稠环电子受体

近年来,非富勒烯太阳能电池的发展迅猛。目前报道的高效率的非富勒烯稠环电子受体主要采用受体-给体-受体(A-D-A)型结构。本工作中,我们在给受体间引入3,4-二己氧基噻吩作桥,用5,6-二氯-3-(二氰基亚甲基)靛酮作端基设计合成了一种新的稠环电子受体(ITOIC-2Cl)。一方面,可以通过S···O和O···H等作用在分子内形成非共价键构象锁促进分子的平面性;另一方面,通过增加端基的缺电子性可以增强分子内的电荷迁移。在两者的协同作用下,ITOIC-2Cl的光谱吸收拓宽到近红外区,这有利于获得宽的光谱响应。将ITOIC-2Cl与一种吸收互补的给体聚合物(PBDB-T)共混制备活性层,我们用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征其形貌,发现共混薄膜可以形成纤维状的互传网络结构和合适纳米尺寸的相分离,这有利于电荷的分离和传输,从而获得高的短路电流(J_(sc))和填充因子(FF)。最终,基于PBDB-T:ITOIC的电池,我们获得了9.37%的光电转换效率,其开路电压(V_(oc))为0.886 V,J_(sc)为17.09 mA·cm~(-2),FF为61.8%。这些研究结果为我们提供了一种设计高效率的非富勒烯稠环电子受体的有效的策略。     

基于侧链不对称喹喔啉聚合物的高效非富勒烯太阳电池

喹喔啉衍生物由于合成简单,易功能化,成本较低等特点在众多领域都有广泛应用。其自身具有平面刚性结构,也是构建光电聚合物的重要单体。基于喹喔啉单元的有机分子化学结构和电子结构可修饰性强,通过骨架、侧链和取代基等修饰,易于调控分子的能级和吸光光谱,因此,当使用喹喔啉体系的共轭给体与球形富勒烯受体(如PCBM)及弱结晶性非富勒烯受体(如ITIC)均可表现出优异的光伏性能。在本工作中,基于结晶性较强的非富勒烯受体(o-IDTBR),我们首次制备出侧链不对称喹喔啉(简称：不对称喹喔啉)基聚合物(TPQ-1)与之匹配。相比于侧链对称性喹喔啉(简称：对称喹喔啉)(HFQx-T)与o-IDTBR组合,“弱结晶给体-强结晶受体”组合能表现出更佳均匀的相分离尺度,从而获得更高的短路电流及能量转换效率。TPQ-1与o-IDTBR共混后器件效率为8.6%,加入15%的TB7-Th后,器件效率达到9.6%。     

偶氮噻吩-富勒烯星状化合物的合成与性能研究

利用2—[4—(N—乙基—N—6—羟己基)氨基苯偶氮基]—3—氰基—5—甲酰基噻吩(1)和N—甲基甘氨酸产生的亚胺叶立德与富勒烯反应,合成了含富勒烯的偶氮噻吩化合物(2),2再与1,3,5-苯三甲酰氯进行取代反应生成了一类以苯为核心、偶氮噻吩为连接桥、三个富勒烯(C50)为电子受体端基的星状化合物3。制备了单层太阳能电池器件(ITO／化合物3／Al),其单色光光电转换效率(IPCE)约为2．5％。     

D-π-A分子H-聚集体的电子光谱

合成了具有强化给体和强电子受体的D-π-A分子5-(4-N,N-二甲氨基苯乙烯基)-(1H,3H)-2,4,6-嘧啶三酮(AB1)和5-(4-N,N-双十八烷基氨基苯乙烯基)-(1H,3H)-2,4,6-嘧啶三酮(AB18),并对其电子光谱进行了研究,AB18在环 聚集体的吸收光谱及AB1和AP18的表面光电压谱在450nm附近出现H-聚集体的谱带,比其在氯仿溶液中单体的ICT带蓝移了30nm左右,AB1和AB18固体及其高浓度的氯仿溶液分别在620nm和610nm附近出现来源于H-聚集体的激基缔合物的荧光,620nm带比单体红移3000cm^01 左右,还探讨具有强电子给体和受体的D-π-A分子间π-π相互作用.     

基于非平面稠环苝酰亚胺的全聚合物太阳能电池

将一种具有扭曲结构的稠环苝酰亚胺单元(FPDI-Th)和二氟苯并噻二唑(DFBT)作为单体,并在两者之间插入带有不同烷基侧链的噻吩作为桥接单元,合成了两种新的聚合物受体PPDIBT-Th与PPDIBT-Th-C6,并将其用于全聚合物太阳能电池器件。研究了烷基侧链对聚合物性质和有机太阳能电池(OSCs)器件性能的影响。结果表明:基于这两种聚合物的OSCs器件都展示了优异的光伏性能,烷基侧链的引入不仅会影响分子自身的堆积,还会影响与其共混的聚合物的固态堆积。引入适量的烷基侧链有利于活性层的整体形貌达到较好的平衡状态,提升光伏器件的性能。虽然PPDIBT-Th-C6自身分子间堆积变弱,但是PPDIBT-Th-C6和聚合物给体共混成膜之后,有效保证了给体的固态堆积,最终获得了更大的光电流(12.15 mA/cm~2)与光电转换效率(4.95%)。     

取代基结构对聚[(3-烷基)噻吩-2,5]-取代苯甲烯衍生物三阶非线性光学性能的影响

采用3-烷基噻吩与对硝基苯甲醛和对二甲氨基苯甲醛的聚合反应得到了5种聚(3-烷基)噻吩取代苯甲烯衍生物:聚(3-丁基)噻吩对硝基苯甲烯(PBTNBQ)、聚(3-己基)噻吩对硝基苯甲烯(PHTNBQ)、聚(3-丁基)噻吩对二甲氨基苯甲烯(PBTDMABQ)、聚(3-己基)噻吩对二甲氨基苯甲烯(PHTDMABQ)和聚(3-辛基)噻吩对二甲氨基苯甲烯(POTDMABQ).计算其光学禁带宽度分别为PBTNBQ(1.82eV),PHTNBQ(1.85eV),PBTDMABQ(1.71eV),PHTDMABQ(1.78eV)和POTDMABQ(1.67eV).利用简并四波混频技术测量了5种聚合物薄膜的三阶非线性极化率,分别为1.74×10^-8,1.82×10^-8,5.62×10^-9,8.64×10^-9和1.22×10^-8esu,均具有较大的三阶非线性光学性能.针对取代基结构对聚(3-烷基)噻吩取代苯甲烯衍生物的三阶非线性光学性能的影响从分子内极化程度和主链电子的离域程度两个方面进行了讨论.