带有噻吩侧基的有机硼小分子电子受体光伏材料

有机小分子电子受体材料的侧基能够影响异质结有机太阳能电池的给体/受体匹配和器件性能。我们设计并合成了一个硼原子带有噻吩侧基的有机硼小分子(MBN-Th)。该分子的LUMO离域在整个骨架上,HOMO定域在中心核上,其独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰(波长分别为490和726nm),因此分子具有宽的吸收光谱和强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比,噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV,LUMO能级保持不变,进而引起分子带隙减小和吸收光谱蓝移20nm。基于该有机硼小分子受体材料的异质结有机太阳能电池,实现了4.21%的能量转化效率和300–850nm的宽响应光谱。实验结果表明,硼原子上的噻吩侧基是调控有机硼小分子光电性质的有效方法,可以用于有机硼小分子受体材料的设计。     

含硼氮配位键的高分子电子受体材料

全高分子太阳能电池用高分子电子给体材料和高分子电子受体材料的共混物作为光电活性层,是光伏技术的重要发展方向之一.鉴于高分子受体材料的种类和数量都很少,开发新型高分子受体材料是发展全高分子太阳能电池的关键.有别于采用酰亚胺结构设计高分子受体材料的传统思路,我们从硼氮配位键降低π-共轭体系最低未占分子轨道(LUMO)能级的基本原理出发,在国际上率先提出了用硼氮配位键设计高分子受体材料的策略.本文旨在总结我们在含硼氮配位键的高分子受体材料方向的研究进展.首先阐明了硼氮配位键降低LUMO能级的原理,揭示出硼氮配位键在重复单元和高分子中的3个作用,然后介绍了硼氮配位键高分子受体材料的2种分子设计方法,阐明了硼氮配位键高分子受体材料在LUMO轨道和LUMO能级调控方面的特征,介绍了硼氮配位键高分子受体材料的吸收光谱调控、能级结构调控和电子迁移率调控,实现了全高分子太阳能电池的器件效率从2015年的0.14%到目前的6%的转变.最后,展望了硼氮配位键高分子受体材料在高性能全高分子太阳能电池方面的前景和重点发展方向.     

三元硼氮环的电子结构与成键

用从头算ＳＣＦ－ ＭＯ法对三元硼氮环２ 个系列８ 个分子的电子结构进行了研究．根据计算结果,由原子的轨道布居以及σ和π电子的分布,讨论了硼原子与氮原子间的成键情况．结果表明,硼原子和氮原子上加Ｈ 有利于环的稳定,同时削弱了Ｂ—Ｎ 键而增强了Ｂ—Ｂ键和Ｎ—Ｎ 键,对Ｂ２Ｎ 系列和ＢＮ２ 系列中的Ｂ原子和Ｎ 原子的净电荷的影响恰好相反．     

具分子内氮硼配键的10,9-硼氧杂菲螯合物的合成与性质

10,9-硼氧杂菲的四配位硼化合物很少见报道。我们曾报道10-羟基-10,9-硼氧杂菲与β-二酮反应可生成两种类型的四配位硼化合物。本文将报道10-羟基-10,9-硼氧杂菲与脂肪族β-氨基醇(氨基乙醇、氨基丁醇、羟乙基乙二胺和二甲胺基乙醇)和喹啉的取代衍生物(8-羟基喹啉、5,7-二溴-8-羟基喹啉和喹哪啶酸)反应,得到7种新的10,9-硼氧杂菲含氮衍生物。其合成路线如下:     

三氯环硼氮烷和聚硼氮烷的合成与表征

以三氯化硼和氯化铵为原料,甲苯为溶剂,高产率(98%)地合成了具有硼和氮的六元环结构的三氯环硼氮烷(1);1分别与正丙胺(Ⅰ)和异丙胺(Ⅱ)反应制得正丙胺基环硼氮烷(1~Ⅰ)和异丙胺基环硼氮烷(1~Ⅱ);1~Ⅰ和1~Ⅱ经过脱胺和热聚合反应制得聚硼氮烷先驱体(2和3).用IR,NMR和XRD等对2和3的组成与结构进行了分析,探讨了聚硼氮烷的胺基取代基对聚硼氮烷聚合反应性及产物结构的影响.研究结果表明,3具有更强的热聚合特性.     

四元硼氮环成键的研究

在４－３１Ｇ基组水平上，对四元硼氮环做了ＳＣＦ－ＭＯ从头算．根据计算结果，由原子的轨道集居以及σ和π电子的分布，讨论了硼原子与氮原子间的成键情况．结果表明，硼有形成多中心σ键的倾向，且环上π电子极化是指向硼的，同时，硼和氮原子上加氢有利于环的稳定．     

基于环硼氮烷的高陶瓷产率SiBCN先驱体的合成与性能

聚合物先驱体转化法作为制备SiBCN陶瓷及其复合材料的重要途径,具有成型温度低、产物结构和组成可控等优点.设计合成合适的聚合物先驱体是提高陶瓷产率和性能的关键因素之一,本文采用三氯环硼氮烷(TCB)与乙炔基氯化镁进行反应,合成了乙炔基环硼氮烷,进而与二氯硅烷和二氯甲基乙烯基硅烷进行共氨解反应,制备了聚硼硅氮烷先驱体(PBSZ)并进行了高温裂解.采用综合热分析(TG-DSG)对其陶瓷化过程进行了分析,并采用XRD和SEM对陶瓷化产物的结构进行了表征.PBSZ在室温下是液态,易溶于二氯甲烷和氯仿等溶剂,可加工性优良.基于PBSZ先驱体的SiBCN陶瓷产率超过80%;陶瓷化产物在1400℃以下为无定形状态,在1500℃可形成由α-Si3N4,β-Si3N4,h-BN和SiO2晶体结构组成的陶瓷;陶瓷产物表面致密平整且具有优异的热稳定性和氧化性能,表明聚硼硅氮烷(PBSZ)有望成为高陶瓷产率和高性能陶瓷的重要先驱体.     

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%.     

1,2-硼氮杂芳烃在中国的研究进展

稠环芳烃及其衍生物在有机光电材料领域具有广泛应用,杂原子掺杂可有效调节稠环芳烃的物理化学性质.用等电子体的硼氮单元取代碳碳单元,在保持稠环芳烃芳香性的连续性的同时,可以调节稠环芳烃的电子结构和分子间相互作用,构建具有独特光电性质和生物活性的新型硼氮杂稠环芳烃,既丰富了稠环芳烃的种类,又促进了硼氮杂芳烃在光电材料、催化和生物医药等领域的应用.近年来,中国有机化学及材料化学领域的学者们积极参与并推动了硼氮杂芳烃的快速发展,在硼氮杂芳烃的种类开发和应用拓展方面开展了一系列原创性的工作,取得了瞩目的成绩.本文综述了基于1,2-硼氮杂苯的稠环芳烃(即1,2-硼氮杂芳烃)的合成发展历史和应用研究拓展,最后对硼氮杂芳烃领域的未来发展与应用进行了展望.通过对硼氮芳烃在中国的发展进行系统的梳理和总结,希望能够引起更多科研工作者对硼氮芳烃的兴趣,期待更多的科研工作者能够加入到硼氮杂芳烃的合成拓展与应用探索中.     

三(五氟苯基)硼烷掺杂有机/高分子半导体的研究进展

有机/高分子共轭聚合物的结构设计是制备高性能有机半导体的有效策略,但该过程存在着设计合成周期长、制备步骤复杂和产率偏低等问题。为了克服这些问题,近年来人们越来越关注对有机/高分子半导体的掺杂。然而,传统电荷转移掺杂剂(如卤族单质I₂、金属氧化物Fe₃O₄、小分子F4TCNQ等)存在掺杂效率低、溶解度差和掺杂条件苛刻等问题。相比之下,三(五氟苯基)硼烷具有溶解度高、掺杂效率高、广泛适应性等优点。本文结合相关文献综述了三(五氟苯基)硼烷掺杂有机半导体的物理机制,并探讨了掺杂有机半导体的性质;此外,还总结了三(五氟苯基)硼烷掺杂在不同光电功能器件中的应用并明确了今后的研究方向。     

1,4-硼氮杂芳烃在中国的研究进展

稠环芳烃及其衍生物在有机光电材料领域具有广泛应用,杂原子掺杂可有效调节稠环芳烃的物理化学性质.硼氮杂芳烃是稠环芳烃的重要成员.基于硼原子和氮原子的相对位置,硼氮杂芳烃可以分为三种异构体:1,2-硼氮杂芳烃、1,3-硼氮杂芳烃和1,4-硼氮杂芳烃,由于合成上的困难,1,3-硼氮杂芳烃的研究相对较少.近年来,得益于1,4-硼氮杂芳烃在多重共振热活化延迟荧光材料方面潜力的发掘,1,4-硼氮杂芳烃在国内外都取得了飞速发展.我国有机化学及材料化学领域的学者们积极参与并推动了1,4-硼氮杂芳烃的快速发展,在1,4-硼氮杂芳烃的结构开发和应用拓展方面开展了一系列原创性的工作,取得了瞩目的成绩.以1,4-硼氮芳烃的结构作为线索,按照杂原子二元掺杂(B/N)骨架和三元掺杂(X/B/N)骨架分别进行论述,综述了1,4-硼氮杂芳烃的合成发展历史和应用研究拓展,最后对硼氮杂芳烃领域的未来发展与应用进行了展望.     

基于非富勒烯电子受体的半透明有机太阳能电池

半透明有机太阳能电池以其独特的光电特性在建筑集成光伏上具有广阔的应用前景。非富勒烯小分子受体近几年发展十分迅速。其中,基于非富勒烯小分子受体的半透明有机太阳能电池具有较高的光电转换效率和平均可见光透过率,因而得到了广泛关注。本文总结了近几年来非富勒烯受体型半透明有机太阳能电池的最新研究进展,探究活性层材料设计及器件构型优化对半透明有机太阳能电池的影响,希望为半透明有机太阳能电池在今后研究中新材料体系的优选提供一定的参考。     

过渡金属催化氮原子导向的芳基邻位C—H键硼化反应研究进展

芳基硼化合物在合成化学、材料化学和生物医学领域都有着广泛的应用,其合成方法一直是有机合成领域中的研究热点.导向基团辅助过渡金属催化的C-H键硼化反应具有步骤经济性,底物多样性,高区域选择性的优点.其中含氮原子导向基团底物的硼化反应引起了学者们的兴趣,因为N,C螯合的四配位有机硼化物是重要的光电材料.按照不同过渡金属(铱...     

硼、氮掺杂的二硫化钼用于氧还原电催化研究

对于碱性燃料电池的阴极反应,开发具有优异催化性能的新型催化剂至关重要.本工作采用一种简单的热解方法合成了硼、氮掺杂的二硫化钼(B,N-MoS2)材料并将其应用于氧还原(ORR)电催化分析.通过循环伏安法(CV)与线性扫描伏安法(LSV)等电化学分析方法,采用旋转盘电极(RDE)与旋转环盘电极(RRDE)等技术测试了该材...     

聚硼硅氮烷的表征及其流变性能

以二氯甲基硅烷、三氯化硼、六甲基二硅氮烷为起始原料,采用缩聚法合成了新型SiBNC陶瓷前驱体--聚硼硅氮烷(PBSZ),其产率达90%. 通过调节二氯甲基硅烷的用量可获得不同软化点的前驱体. 采用改进的毛细管流变仪,首次对熔融纺丝状态时PBSZ的流变特性进行了研究. 结果表明,PBSZ熔融纺丝时,剪切速率在10～110 s~(-1)范围内时,为切力变稀流体,非牛顿指数为0.83～0.90,表观粘度为440～2 460 Pa·s,粘流活化能约为142 kJ/mol. PBSZ纺丝性能良好,纤维连续无断头长度＞1 600 m,纤维直径＜20 μm.     

硼氮杂稠环化合物的合成与电子学应用

有机半导体材料的开发为有机电子学的发展提供了材料基础。杂原子的引入进一步丰富了材料的种类和数量。作为CC单元的等电子体,BN单元对有机半导体材料的性能调节受到了科学家们的关注。本文主要介绍了有机共轭体系中BN单键的构筑方法,以及这类硼氮杂稠环分子在有机电子学领域的应用。     

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%.     

锂化硼氮纳米管的二阶非线性光学理论研究

基于硼氮纳米管(BNNTs), 研究了多重锂化硼氮纳米管Li_n-(n,0,l)BNNTs(n=6和8, l=2~4)的结构与非线性光学性质. 研究表明, 在Li_n-(n,0,l)BNNTs中, Li原子上的自然键轨道电荷接近+1(0.769～0.827 e), 表明Li原子上的电子转移到了硼氮纳米管上, 从而形成了多重锂盐. 同时发现, 增加管长和拓宽管径都可有效地增加体系的一阶超极化率. 更重要的是, Li_n-(n,0,l)BNNTs的紫外-可见吸收主要发生在270~290 nm附近, 且当管长增加时, Li_n-(n,0,l)BNNT的紫外-可见吸收光谱发生了蓝移, 改善了非线性与透光性之间的关系. 此外, Li_n-(n,0,l)BNNTs还具有良好的稳定性[垂直电离势(VIP)=5.85～6.0 eV].     

以C70衍生物为电子受体的高效聚合物固体薄膜太阳能电池

以PC[70]BM(phenyl C71-butyric acid methyl ester)取代PC[60]BM(phenyl C61-butyric acid methyl ester)作为电子受体材料,以MEH-PPV(poly[2-methoxy-5-(2′-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])为电子给体材料,制成了本体异质结(bulk heterojunction,BHJ)聚合物太阳能电池.MEH-PPV/PC[70]BM器件在AM1.5G(80 mW/cm2)模拟太阳光的光照条件下得到了3.42%的能量转换效率,短路电流值达到了6.07 mA/cm2,开路电压0.85 V,填充因子为53%.通过紫外可见吸收光谱和外量子效率的研究,发现PC[70]BM作为电子受体,对扩大光谱的吸收范围和增加活性层的吸收系数有明显的作用.同时比较了不同溶剂对该体系器件性能的影响.通过原子力显微镜(AFM)、光暗导I-V曲线等研究,分析了1,2-二氯苯有利于给体相和受体相的微相分离和载流子的传输的原因.