有机共晶光电功能材料与器件

在双组分或多组分有机共晶中,特殊的分子堆积方式和聚集态结构以及不同组分之间的协同和集合效应,使得有机共晶不仅保留了单一组分的固有属性,而且展现出更多新颖的宏观光电性质,在电导、铁电、双极性电荷传输、光响应、发光和给受体组分间电荷转移过程等方面具有重要的研究价值和应用前景,为有机单晶器件的高性能化和多功能化发展提供了新途径。因此,有机共晶的制备和性能研究逐渐成为近年来的热点。在本文中我们首先详细地介绍了有机共晶的分类情况,根据形成晶体的作用力分为电荷转移晶体、通过π-π相互作用形成的晶体和以分子间氢键、卤键相互作用为主的晶体;其次,以经典的7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷（TCNQ）、1,2,4,5-苯四甲腈（TCNB）和富勒烯（C₆₀）三种典型的受体分子为例,列举了常见的有机给受体材料;再次,介绍了8种制备有机共晶的常用方法,讨论了有机共晶中分子排布方式对性能的影响;最后,介绍了有机共晶在光电器件中的应用。我们相信有机共晶的理论和应用研究会进一步丰富和推动有机晶体材料和光电子学领域的发展。     

氮桥连星型稠环电子受体的合成与光伏性能

采用苯并三(二噻吩并吡咯)为稠环骨架,5,6-二氯-3-(二氰基亚甲基)靛酮为拉电子端基,设计合成了一种氮桥连星型稠环电子受体.利用强给电子苯并三(二噻吩并吡咯)稠环骨架与氯取代拉电子端基结合,增强分子内电荷转移,导致电子受体分子的吸收位于500～800 nm、摩尔消光系数为3.2×10⁵M^-1cm^-1、光学带隙为1.56 eV.将其分别与吸收互补的宽带隙聚合物给体PM6和D18共混作为活性层,制备了有机太阳能电池器件.相比PM6为给体,受体分子与D18的共混膜具有更强的结晶性和合适的纤维状互穿网络相分离结构.通过对比两组器件载流子输运与复合特性,发现采用D18作为给体使电荷传输更平衡、复合减弱、激子解离和电荷收集更有效,其电池器件的能量转换效率为12.0%.     

基于联萘酚骨架的新型圆偏振发光材料的合成及性能探究

合成了基于联萘酚骨架并具有电子给体二芳基胺(NN)、电子给受体二芳基胺和二芳基硼(BN)、电子给受体二芳基胺和氰基(4N2CN)的系列手性发光分子, 通过引入不同的受体基团和扩展分子的手性骨架来比较几个分子的性质差异. 由于分子内电荷转移(ICT)特性, 化合物BN和4N2CN表现出显著的温度响应型荧光发射位移. 二芳基硼的引入使得BN在常见有机溶剂中的荧光量子效率相比NN明显提高并表现出更显著的溶剂化变色效应. 为了探索它们的手性光学性质, 三个消旋体化合物在光学提纯后进行圆二色光谱(CD)和圆偏振发光光谱(CPL)测试. 因为化合物4N2CN手性骨架的扩展, 其CPL信号和发光不对称因子(g_lum)优于NN. 这项工作可能有助于开发新型手性发光材料, 也为增强分子激发态的手性信号提供了一种思路.     

萘二酰亚胺类电子受体材料分子设计与开路电压的理论调控

采用密度泛函理论预测了6个萘二酰亚胺(NDI)衍生物电子受体分子An(n=1~6)的几何构型、前线轨道特征及吸收光谱,并分别与选定的3个给体分子Dm(m=1~3)组合,构建给-受体(D-A)界面,从单分子尺度评估了不同D-A界面载流子的复合程度.结果表明,引入N、O、S等杂原子可以改变分子间氢键位点及强度,调节D-A界面分子间的距离与位移,以降低界面载流子复合,通过减小光电压损失获得高的开路电压V_(oc);此外,通过计算给体HOMO~D与受体LUMO~A之间的电子耦合V_(if)发现,平面性均较好的D-A分子组合V_(if)较大,界面载流子易于复合,会引起较大的光电压损失,不利于获得高的V_(oc).将平面性好的受体与非平面型给体材料搭配作为有机太阳能电池光活性层有可能获得高的V_(oc).综合考虑ΔE_L、V_(if)、D-A分子的平面性和光吸收效率等因素,认为D3-A5组合有望成为电子迁移率高、可见光和近红外区吸收宽、界面激子能有效分离且不易复合的理想给-受体分子组合对.     

具有星形拓扑结构的捕光分子

合成了单体甲基丙烯酸-2-(9,9-二乙基)芴甲酯(FMMA)作为捕光天线分子,通过原子转移自由基聚合方法(ATRP)合成了以β-环糊精(β-CD)为核的21臂星形发光聚合物β-CD-g-(PFMMA-b-PDMAEMA)21作为捕光聚合物.通过氢核磁共振谱、基质辅助激光解析电离飞行时间质谱和凝胶渗透色谱对其结构进行了表征.将其与能量受体分子蒽包合,通过紫外-荧光测试检测到了两者的能量传递现象,成功证明了基于主客体包合作用的星形拓扑分子捕捉和传递能量的过程,在光敏器件、太阳能电池和有机发光二极管等领域内具有潜在的应用价值.     

含有呋喃衍生物的窄带隙共轭聚合物的合成及光伏性能研究

通过Stille法将呋喃衍生物苯并二呋喃(BDF)引入共轭主链,合成了苯并二呋喃-呋喃-苯并恶二唑共聚物(Polymer 1,简称P1).以紫外吸收光谱分析了聚合物溶液及其膜的基本光谱特征,通过理论计算进行了分子模拟,并用电化学循环伏安法测定了其基本的电化学性质.采用此材料为给体,PC71BM为受体制备了本体异质结型的有机太阳能电池器件,同时研究了不同给/受体重量比的情况下以及1,8-二碘辛烷作为添加剂的情况下的光伏器件性能.结果表明,P1聚合物在可见光区具有较大吸收.由P1所制得的光伏器件,在AM1.5的模拟太阳光照射条件下最高的转化效率为2.96%,表明BDF基团的引入可实现窄带隙的光电聚合物.     

基于四氰基受体单元的高效近红外热激活延迟荧光

以二吡啶并吩嗪为受体单元,三苯胺(TPA)为给体单元,设计合成了近红外(NIR)热激活延迟荧光(TADF)材料11,12-双[4-(二苯基氨基)苯基]联吡啶[3,2-a:2’,3’-c]吩嗪-3,6,10,13-四甲腈(FCNPZ-TPA).在FCNPZ-TPA分子的受体单元上引入4个氰基增加了受体单元的吸电子能力.考虑到TPA具有优异的给电子能力,将强给体-强受体单元同时引入分子骨架中,使得FCNPZ-TPA的发射波长红移到近红外区域.另外,给体(D)和受体(A)单元之间空间位阻导致FCNPZ-TPA具有扭曲D-A分子构型,从而实现了较小的单线态-三线态能级差(ΔEST).得益于FCNPZ-TPA分子刚性骨架以及较小的ΔEST,当FCNPZ-TPA掺杂在主体4,4’-二(9-咔唑)联苯中时,该有机支光二极管器件在发射波长为742 nm处实现了8.01%的最大外量子效率(EQE).     

新型酞菁-苝分子异质结的合成及其光伏性能研究

通过酰胺键将酞菁(电子给体单元)和苝二酰亚胺(电子受体单元)偶联,合成了新型的酞菁-苝分子异质结,其在二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃等常用溶剂中有较好的溶解度.紫外光谱分析表明其吸收光谱是酞菁和苝二酰亚胺信号的叠加,出现在300～780 nm之间.该分子摩尔消光系数高达105L mol-1 cm-1数量级,说明具有较宽的太阳光谱覆盖范围和很高的吸光系数.基于这些良好的光谱响应特性,制备了以该分子与[6,6]-苯基-C61-丁酸酸甲酯(PC61BM)为光活性层的有机太阳能电池(OSCs),该电池器件结构为ITO/聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/酞菁-苝给受体分子:PC61BM/Ca/Al,光电转换效率(PCE)为0.009%,对应的开路电压(Voc)为0.472 V,短路电流(Jsc)为0.104 mA/cm2,填充因子(FF)为0.18.     

给体-受体-给体窄带隙染料掺杂聚芴发光二极管

合成了一系列给体-受体-给体型窄带隙荧光分子, 并将其作为掺杂剂与主体(Host)宽带隙聚芴共混制备发光二极管. 荧光分子为4,7-二呋喃-苯并噻二唑(O-S)、4,7-二噻吩-苯并噻二唑(S-S)、4,7-二(N-甲基吡咯)-苯并噻二唑(N-S)、4,7-二硒吩-苯并噻二唑(Se-S)和4,7-二(N-甲基吡咯)-苯并硒二唑(N-Se). 溶液中荧光分子的紫外-可见吸收峰位于447~472 nm, 荧光发射峰位于563~637 nm. 该系列荧光分子掺杂聚芴(PFO)发光器件的电致发光峰位于580~633 nm. 当器件结构为ITO/PEDOT/PVK/PFO+N-Se/Ba/Al时, 最大外量子效率为1.28%, 电流效率1.31 cd/A.     

基于引达省并二噻吩吡喃的稠环受体材料的设计合成及其在有机太阳能电池中的应用研究

设计合成了一个基于引达省并二噻吩吡喃的稠环有机受体材料.吡喃环的引入提高了分子中间核的给电子能力,使分子的最高占有轨道能级(HOMO)显著提升,进而使分子的吸收光谱红移.通过理论计算,证实了分子的设计思路的可行性.紫外吸收光谱分析发现,该受体材料具有较窄的带隙(1.30 eV),其最大吸收峰在843 nm,吸收截止到956 nm,有利于活性层材料对太阳光的充分吸收利用.将该受体材料与聚合物给体材料PM6共混制备有机太阳能电池器件,获得了0.86 V的开路电压(opencircuit voltage,V_(oc))、20.61 mA cm~(-2)的短路电流密度(short-circuit current density,J_(sc))和10.85%的能量转化效率(power conversion efficiency,PCE).