含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭高分子的合成及其在有机太阳能电池上的应用

通过Stille反应合成了一系列含有均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的共轭聚合物P1～P7.该系列聚合物在常见有机溶剂中溶解性良好,在370～600 nm范围内有较强吸收.通过循环伏安法测量其LUMO能级范围在-3.66～-3.90 eV之间,HOMO能级在-5.25～-6.17 eV之间,在同类分子中接近最低值.通过改变主链中噻吩单元的数量和给电子单元,可以调节分子的能隙,使其电化学能隙在2.45～1.55 eV范围内变化.将含均苯四甲酸二酰亚胺受体单元的P1～P7应用于有机太阳能电池中,作为给体材料与PC61BM共混制成本体异质结聚合物电池,器件开路电压普遍较高.其中基于均苯四甲酸二酰亚胺与二噻吩并噻咯的聚合物P7的器件,在AM 1.5 G,86 mW/cm2光照条件下,开路电压为0.72 V,短路电流为1.22 mA/cm2,能量转换效率为0.27%.     

受体型有机光伏材料苝二酰亚胺

苝二酰亚胺作为一种典型的n型材料,具有可见光区强吸收、光和热稳定性较高等突出优点,近年来应用到有机光伏达电池中。本文介绍了苝二酰亚胺及其各种衍生物的结构和性质,综述了其用作有机光伏受体材料（包括小分子型苝二酰亚胺材料、含苝二酰亚胺受体单元的给体-受体双功能分子和含苝二酰亚胺受体单元的给体-受体双缆型聚合物材料）的最新研究进展。     

含三苯胺结构的非对称型苝酰亚胺的合成及性能

合成了2种含有三苯胺结构的非对称型苝酰亚胺N-(2-乙基己基)-N'-(4-三苯胺)-3,4,9,10-苝二酰亚胺(PDI-ATPA)和4,4',4″-三[N-(2-乙基己基)-3,4,9,10-苝二酰亚胺]-三苯胺(PDI-TATPA).利用核磁共振谱(NMR)、红外光谱(IR)和元素分析等方法表征了2种分子的结构,采用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱和荧光光谱研究了其分子光物理性能及在溶液中的聚集行为,并且对分子轨道、能级和偶极矩进行了分子模拟.研究结果表明,具有星形空间对称结构的苝酰亚胺分子PDI-TATPA在溶液中具有自组装行为;引入的三苯胺结构与苝核形成电子给体-受体结构,发生分子内电子转移(PET),进而导致荧光猝灭.     

萘酞菁锌复合体系的光致电荷转移

合成了萘酞菁锌, 利用傅立叶红外光谱、元素分析和MALDI-TOF质谱等手段表征了分子结构; 循环伏安测试和吸收光谱确认了共轭体系的扩大使分子带隙下降. 根据材料加工性能的不同, 分别采用溶液法、层-层蒸镀(Layer-by-layer evaporation)法和单层分散旋涂法, 将给体分子萘酞菁锌与三种受体分子1-(3-甲氧基羧基)丙基-1-苯 基-[6,6]C61, C60和N,N’-二嘧啶基苝四羧基二酰亚胺进行了复合, 通过研究复合前后荧光变化, 确认了给体-受体两相界面处发生了由分子能级差引发的光致电荷转移, 为制备更宽光伏响应范围的太阳能电池器件提供了潜在的新途径.     

基于吡咯并吡咯二酮核心的苝二酰亚胺类受体分子的合成及光伏性能

苝二酰亚胺类小分子由于其固有的强分子聚集特性,导致活性层形貌难于调控,器件效率相对于近年来报道的受体-给体-受体型稠环小分子受体一直处于劣势.针对这一关键问题,我们设计并合成了三个以吡咯并吡咯二酮为中心核的双臂型和四臂型苝二酰亚胺类小分子受体.其中,c-PDI2和nc-PDI2两个双臂型分子分别将两个苝二酰亚胺臂置于吡咯并吡咯二酮核心骨架的碳取代位和氮取代位;四臂型PDI4是将四个苝二酰亚胺臂置于吡咯并吡咯二酮核心骨架的四个取代位.通过对三个受体小分子的光谱吸收、能级水平、薄膜形貌以及光伏性能的详细研究,发现三个受体小分子都拥有扭曲的分子结构并由此带来无定形薄膜形貌,表明其分子聚集趋势得到了有效的抑制.相对于双臂型受体分子,四臂型PDI4具有更强的光吸收能力和电子传输性能,从而获得了8.45%的最高光电转换效率,是c-PDI2器件效率的2倍和nc-PDI2器件效率的1.5倍.     

一种新型苝酰亚胺的合成及其与C60之间的电荷转移作用

设计和合成了一种新型苝酰亚胺电子受体—N,N ′-二嘧啶基苝四羧基二酰亚胺(DMP), 利用傅里叶红外光谱和元素分析表征了DMP的分子结构. 通过与N,N ′-二苯基-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(DPP)的循环伏安实验的对比, 证明了嘧啶基的引入降低了分子的LUMO能级. 研究了DMP与C₆₀层-层蒸镀(layer-by-layer evaporation)薄膜的荧光变化, 确认其界面处发生了由于能级位置差异导致的电荷转移.     

氟代位置对苝酰亚胺聚集态结构和电子传输性能的影响

合成了三种新型的有机电子受体: N,N'-二(2-氟代苯基)-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(D2MFPP)、N,N'-二(3-氟代苯基)-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(D3MFPP)和N,N'-二(4-氟代苯基)-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(D4MFPP). 利用元素分析、傅立叶变换红外(FTIR)等方法表征了它们的分子结构, 用紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)、X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)等手段研究了氟代位置对苝酰亚胺薄膜聚集态结构的影响, 发现氟代使苝酰亚胺的聚集态发生变化, 且不同位置的氟代对其影响也不一样. 除了分子结构的影响, 外场条件也会产生很大的作用. 通过制备场效应晶体管研究了其电子传输性能, 发现氟代后器件的空气稳定性有明显提高.     

不同氟取代基对苝酰亚胺电子迁移率的影响

利用空间电荷限制电流(SCLC)法测试了二种氟代苝酰亚胺的电子迁移率, 一种是N,N'-二(五氟代苯基)-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(1), 另一种是N,N'-二(1,1-二氢十五氟代辛基)-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(2). 结果发现, 化合物2的电子迁移率要比1高1～2个数量级. UV-Vis, XRD, SEM和AFM等表征手段证明, 这一现象可以用不同的氟取代基导致不同的聚集态结构来解释: 对于化合物1而言, 苯环平面与苝环平面之间存在大的夹角, 破坏了苝酰亚胺分子的平面性, 再加上刚性的氟代苯环大的空间位阻作用, 化合物1分子无法依靠相邻苝环之间的重叠排列而结晶, 只能无序堆积形成非晶膜; 与之相反, 在化合物2分子中苝环上的端基是柔性的锯齿状氟代烷基链, 空间位阻小, 化合物2分子能通过相邻苝环之间相互接近而形成的π-π偶合作用而结晶, 因此有利于电子在苝酰亚胺分子间的跳跃传输.     

新型有机电子受体氟代苝酰亚胺的合成与表征

设计和合成了一种新型有机电子受体N,N′-二(五氟代苯基)-3,4,9,10-苝四羧基二酰亚胺(DFPP),利用傅里叶红外光谱和核磁共振谱等方法表征了DFPP的分子结构,用紫外-可见吸收光谱、循环伏安法和电子自旋共振谱等手段证明了DFPP中极低的最低未占有轨道(LUMO)能级为-4.37eV.另外,还发现了DFPP薄膜的独特聚集态结构,五氟代苯基正好处于相邻分子苝环的正上方或正下方.     

桥位二级胺基取代的苝二酰亚胺的合成及其能级结构研究

通过简易的乌尔曼反应, 合成出了一系列桥位二级胺基取代的苝二酰亚胺衍生物2a～2d, 并对其能级结构进行了表征. 紫外-可见光吸收光谱表明, 桥位经过二级胺基取代后苝二酰亚胺的带隙变窄, 最大吸收峰出现了100 nm以上的红移, 从而使吸收范围覆盖到了近红外区. 循环伏安测试表明, 桥位经过二级胺基取代后的苝二酰亚胺同时呈现出可逆的还原峰和氧化峰, HOMO能级大幅上升, 具有双极性半导体特性. 初步探讨了桥位吗啡啉基团取代的苝二酰亚胺2d在有机光伏器件中的应用, 证明其既可以用作电子受体, 也可以用作电子给体.