全高分子太阳能电池活性层相分离结构调控

全共轭聚合物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.在开发高性能材料及器件结构优化的推动下,能量转换效率已经突破9%.然而,共轭聚合物分子刚性及分子结构各向异性等特点,导致全共轭聚合物共混体系相分离及结晶行为复杂,相区尺寸及界面处分子取向可控性差,难于深入理解并认识活性层结构对器件光物理过程的影响.本文从热力学及动力学角度入手,详述了全共轭聚合物共混体系相分离结构、相区尺寸及界面分子取向的可控调节.共混体系中分子迁移能力及溶液相分离类型是影响相分离结构的本质因素,并通过改变给受体比例及分子规整度等实现了孤岛、双连续及互穿网络结构的构筑.同时,通过添加第3组分调节溶剂-溶质分子间相互作用或聚合物分子间相互作用,在不降低活性层结晶性的基础上实现了相区尺寸的调控.最后,利用附生受限结晶原理及溶液状态,通过改变分子运动能力及在溶液中聚集程度,实现了由edge-on到face-on取向的转变.     

P(HB-co-HV)/PVPh的相容性与聚集态结构

采用差热扫描分析、红外光谱、固体核磁、小角X光散射等方法研究了聚(β-羟基丁酸酯-co-β-羟基戊酸酯(P(HB-co-HV))/聚(对-羟基苯乙烯)(简称PVPh)共混物的相容性和形态。结果表明两组分间形成较强的分子间氢键,形成完全相容的共混体系。固体核磁结果表明P(HB-co-HV)/PVPh(50/50)在3.4nm尺寸上是完全均相的。小角X光散射结果表明,在等温结晶的共混物中无定形的PVPh分子分散在P(HB-co-HV)片晶之间与非晶的P(HB-co-HV)分子形成非晶区,从而使非晶区加宽,长周期增加。     

侧链的简单调制使近红外吸收的非富勒烯受体实现更高的短路电流密度（英文）

为了探究相同共轭骨架中不同位点引入不同侧链对相应小分子非富勒烯受体光电性能的影响,本文通过在中心核茚并二噻吩并[3,2-b]噻吩(IDT)单元和端基(1,1-二氰基亚甲基)绕丹宁单元上同时引入正辛基柔性侧链并以噻吩稠合苯并噻二唑(BTT)单元为“π-桥”而构建了一个新的A-π-D-π-A型非富勒烯受体(JC11).与以往研究得到的两个A-π-D-π-A型非富勒烯受体(A2和JC1)相比,在中心核和端基同时引入适宜长度的正辛基侧链不仅赋予JC11更有利的分子间堆叠,而且使JC11比在中心核引入刚性更强和空间位阻更大的己基取代苯基侧链的A1表现出了更大的吸收红移和更好的结晶度;同时也比在端基仅引入短链乙基侧链的JC1表现出了更好的溶解性能,避免了其与PTB7-Th给体共混时出现过度聚集而导致相分离尺度过大.此外, JC11在给体/受体共混膜中展现了比A2和JC1更高的摩尔消光系数(高达1.14×10⁵ L·mol^-1·cm^-1)和更高的电子迁移率(μe=1.01×10^-3 cm·V^-1     

基于聚合物给体/有机小分子/富勒烯受体的三元共混有机太阳能电池

成功构筑了基于聚合物给体P3HT/有机小分子TT-TTPA/富勒烯受体PC₆₁BM的三元共混有机太阳能电池. 共轭有机小分子TT-TTPA与PC₆₁BM有很好的相容性, 相分离很小. 溶剂退火和热退火时, 含量相对较少的TT-TTPA容易从P3HT相中脱离出来进入PC₆₁BM相, 增加P3HT的结晶空间, 从而提高P3HT的结晶度和相纯度. 通过引入少量的第三组分TT-TTPA, 制备的三元共混有机太阳能电池获得了4.41%的能量转换效率, 相对于P3HT/PC₆₁BM二元共混体系的效率(3.85%)提高显著.     

结晶动力学策略在非富勒烯体系太阳能电池形貌调控领域的应用

非富勒烯体系太阳能电池具有吸收范围宽、半透明及可大面积溶液加工等优势,已在清洁能源领域占据重要地位。在高性能材料开发、活性层形貌及器件工艺优化的推动下,器件能量转换效率已经突破19%。非富勒烯体系太阳能电池的基本结构包括阴极、阳极、相应的界面层及活性层,其中活性层形貌对器件性能有着重要影响。然而,由于活性层中给体与受体分子均为半晶性分子,在成膜过程中两者结晶存在竞争耦合;此外,活性层的结晶和相分离往往同时发生,导致形貌可控性差。针对上述问题,本专论系统总结了通过控制共混体系结晶动力学,精细调控活性层形貌的相关进展,详细介绍了共混体系中分子扩散速率、成核与晶粒生长相对速率、结晶顺序等动力学行为对活性层相分离结构、相区尺寸、结晶度及分子取向等的影响,建立了活性层多层次结构与器件光物理过程间的构效关系,为制备高性能有机太阳能电池器件奠定了基础。     

薤中新的甾体皂苷类化学成分

从薤(Allium chinense G. Don)的乙醇提取物中分离得到6个新甾体皂苷类化合物, 通过波谱数据及理化性质分析, 鉴定其分别为5α-cholano-22,16-内酯-3-O-β-D-吡喃葡萄糖基-(1→2)-[β-D-吡喃葡萄糖基-(1→3)]-β-D-吡喃葡萄糖基(1→4)-β-D-吡喃半乳糖苷(1)、 6-酮-5α-cholano-22,16-内酯-3-O-β-D-吡喃木糖基-(1→4)-[α-L-吡喃阿拉伯糖基-(1→6)]-β-D-吡喃葡萄糖苷(2)、 (25R)-26-O-β-D-吡喃葡萄糖基-5α-呋喃甾烷-3β,26-二醇-3-O-β-D-吡喃葡萄糖基-(1→2)-[β-D-吡喃葡萄糖基-(1→3)]-β-D-吡喃葡萄糖基(1→4)-β-D-吡喃半乳糖苷(3)、 (25R)-6-酮-26-O-β-D-吡喃葡萄糖基-5α-呋喃甾烷-3β,22α,26-三醇-3-O-α-L-吡喃木糖基-(1→4)-β-D-吡喃葡萄糖苷(4)、 (25R)-6-酮-5α-呋喃甾烷-3β,22α,24β,26-四醇-3-O-β-D-吡喃木糖基-(1→4)-[α-L-吡喃阿拉伯糖基-(1→6)]-β-D-吡喃葡萄糖苷(5)和(25R)-5α-呋甾-2α,3β,22α, 26-四醇-26-O-β-D-吡喃葡萄糖苷(6). 化合物1和2的皂苷元骨架在天然产物中首次分离得到. 选用H₂O₂诱导PC12细胞神经氧化损伤模型, 初步考察了6种新的呋甾型化合物的抗氧化活性, 实验结果表明, 化合物3对由H₂O₂诱导的细胞氧化损伤有显著的保护效果.     

高分子相分离的分子动力学模拟

用粗粒化分子动力学(MD)模拟方法从分子层次研究两组分聚合物共混体系相分离过程中的动力学. 在相分离初期, 相区尺寸不随时间增加而变化; 在相分离中期, 相区尺寸与时间有很好的标度关系, 标度指数(α=1/3)符合Lifshiz-Slyozov提出的以扩散为主导的蒸发-凝聚机理的标度预测; 在相分离后期, 体系实现宏观相分离, 相区尺寸不再随时间改变而变化. 体积分数小的高分子链尺寸在相分离过程中先收缩再扩张, 在实现宏观相分离后, 高分子链尺寸又回到本体状态尺寸.     

芳香取代基结构对螺旋聚乙炔高效液相色谱手性固定相手性识别性能的影响

设计合成了3种源于脯氨酸的手性乙炔基单体——(S)-2-乙炔基-N-芳香胺基甲酰基吡咯烷. 在氯化降冰片二烯铑二聚体{[Rh(nbd)Cl]₂}-三乙胺催化下, 3种单体被转化为相应的光学活性螺旋聚合物. 用高效液相色谱评估了3种聚合物作为手性固定相(CSPs)对9种底物的手性识别性能. 以正己烷/异丙醇(体积比9∶1)为流动相时, 3种聚合物对3对种氢键给体分子苯偶姻(α=1.35~1.44)、 三氟-1-(9-蒽基)乙醇(α=1.11~1.53)、 2,2′-二羟基-1,1′-联萘(α=1.09~1.11)及乙酰丙酮钴(α=1.84~2.38)表现出很好的手性识别能力; 当以正己烷为流动相时, 3种聚合物都能立体选择性地识别氢键给体分子2,2-二甲基-1-苯基-1-丙醇(α=1.12~1.22), 聚[(S)-2-乙炔基-N-(2′-萘基胺基甲酰基)吡咯烷]能识别氢键受体分子2-苯基环己酮(α=1.11). 结合核磁共振波谱、 拉曼光谱、 旋光测试、 紫外吸收光谱和圆二色光谱及液相色谱等方法, 系统研究了芳香侧基结构与连接位置对聚合物螺旋构象和对映体选择性拆分能力的影响. 分子对接模拟结果表明, 1-萘基的空间位阻大于2-萘基且可促进形成更强的分子内氢键, 不利于大尺寸底物(如联萘酚)的手性拆分. 与苯基相比, 引入萘基有利于增强聚合物与底物间的π-π相互作用, 提高聚合物的立体选择性和手性识别能力.     

基于苯甲酸受体的咔唑染料敏化剂的合成和光电性能

选择N-正丁基咔唑作为电子给体,芴酮作为桥键,苯甲酸作为受体,通过桥键芴酮与给体和受体连接位置的改变,设计合成了两个咔唑染料4-(6-(N-正丁基咔唑-3-基)-9-氧-9H-芴-3-基)苯甲酸(HXL-3W)和4-(7-(N-正丁基咔唑-3-基)-9-氧-9H-芴-2-基)苯甲酸(HXL-4Z).对咔唑染料的光谱性能、电化学性能和光电转换性能进行了研究,并运用密度泛函理论(DFT)方法对其几何结构和紫外-可见光谱进行了优化计算.结果表明, HXL-4Z的吸收光谱呈现两个明显的π→π^*跃迁吸收峰和一个较小的对应于分子内电荷转移的吸收峰,而HXL-3W的吸收光谱则仅呈现一个π→π^*跃迁吸收峰,且摩尔吸光系数远小于HXL-4Z.可能是HXL-3W分子结构中给体和受体距离较近,张力较大,导致较差的分子平面性和分子内电荷转移.因而HXL-4Z的光吸收能力和电子注入效率较优,从而具有较好的光电转换效率(2.03%) (短路电流(J_SC) = 3.88 mA·cm^-2,开路电压(V_OC) = 700 mV,填充因子(FF) = 0.75).     

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。     

有机太阳能电池中基于苝二酰亚胺结构小分子受体进展

最近几年,有机太阳能电池中的非富勒烯小分子受体研究引起了人们的兴趣。其中,苝二酰亚胺(PDI)类分子因具有良好的电子传输能力,较强的电子亲和力,稳定的光、热、化学性能以及化学结构的可设计性带来的性能可调控性而得到广泛的关注。本文总结了近三年来在体异质结有机太阳能电池应用方面PDI小分子受体的研究进展,重点关注了PDI分子结构对其性能的影响,希望为以后PDI类受体分子的设计思路起到一定的启发作用。     

Electronic Characteristics of Perylene Diimide Anion Radical and Dianion Films by Quantitative Doping

Due to their unique physicochemical properties, the anion radical and dianion of perylene diimide derivatives(PDIs) recently attracted significant attention for organic semiconductors. However, the impact of packing structure and the radical content for carrier transport in the solid state still need to be determined. Bringing the electron-withdrawing groups is an effective strategy for enabling π-π stacking distance. Here, bay-tetrachloro-substituted PDI(B-4Cl-PDI) anion radical and dianion films were fabricated quantitatively doped with N₂H₄·H₂O. The radical contents were quantitatively calculated by absorption spectra in different doping ratios. The X-ray powder diffraction patterns showed that the anion radical presented a crystalline structure, and dianion aggregates exhibited an amorphous structure. With precise manipulation of the radical content, the anion radical aggregates and dianion aggregates showed the maximum electrical conductivity value of 0.024 and 0.0018 S/cm, respectively. The experiment results show that doping level and aggregate structure play a crucial role in electronic transport properties.     

官能团化的手性联芳基单齿膦配体在不对称均相金催化反应中的应用

自2005年以来, 不对称均相金催化反应研究取得了显著的进展, 并在有机合成中得到了广泛应用. 近年来, 官能团化的联芳基单齿膦配体在金催化反应中显露头角, 为不对称金催化反应提供了新的发展思路. 本文综合评述了这一领域的研究进展, 着重介绍了近年来利用这类配体实现的金催化不对称反应及反应过程中配体与底物间相互作用.     

g-CN体系的准粒子能带结构和光学特性

利用多体格林函数理论,本文研究了二维CN体系(包括triazine和tri-s-triazine)的激发态特性。通过GW方法,我们计算了准粒子的能量。考虑电子-空穴相互作用,通过求解Bethe-Salpeter方程,我们获得了激发态能量和光谱。我们发现,在这两种CN体系的价带中,σ轨道和π轨道之间的交换作用非常强烈。由于占据的σ轨道和π轨道之间的准粒子修正量非常不同,因此,为了得到准确的带隙值和光谱,我们需要对这两种轨道开展精确的GW计算。与单层的CN体系相比,双层结构中层与层之间的范德华相互作用使带隙值降低了0.6 eV,而光吸收谱红移了0.2 eV,这是由于双层结构具有更小的激子束缚能。我们计算的吸收峰的位置与实验结果符合很好。实验中的吸收峰主要是由深能级的π轨道到π^*轨道的跃迁形成的。π→π^*跃迁和σ→π^*跃迁之间的耦合能够在长波长范围产生弱的吸收尾巴,如果调整入射光的极化方向,由σ→π^*跃迁产生的高强度的吸收峰将会在更低能量处出现。     

方酸与2, 6-二苯并咪唑的超分子自组装及氢键实验与理论研究

在氘代的二甲基亚砜的溶剂中合成了方酸与2, 6-二苯并咪唑的超分子的化合物,并用X射线单晶衍射对其结构进行了表征。晶体结构分析表明:超分子是通过π-π堆积和分子之间氢键所形成的一维链状的聚合物。探讨了不同温度和不同浓度CCl₄溶剂对聚合物中氢键的影响。此外,用密度泛函理论和分子中原子理论对其进行了理论分析,计算结果表明分子间的键能分别是135.65和49.40 J·mol^-1。     

可控液体输运制备取向聚合物薄膜:面向性能增强的发光二极管

提出了一种由锥形纤维阵列引导的定向液体输运的简单策略, 实现了对聚二芳基芴(PODPF)的有序 排列. 通过热退火处理(～240 ℃), PODPF由无定形相转变为β相态, 制备的PODPF薄膜具有一定的取向性 并且结晶尺寸更大. 在去浸润过程中, 锥形纤维阵列能够精确控制三相接触线的后退, 从而使得共轭高分子在产生的定向应力作用下定向排列. 基于此制备了聚合物发光二极管(PLEDs)器件, 与由旋涂膜制备的器件相比具有更高的电流效率(1.53 cd/A)和更稳定的电致发光. 表明利用锥形纤维阵列可以制备高性能的有机发光 二极管.     

异氰酸苯酯诱导的类胶原多肽自组装

Synthetic matrices provide powerful tools for dissecting molecular interactions involved in the organization of the extracellular matrix (ECM), establishment of cell axis polarity, and suppression of neoplasticity in pre-cancerous endothelial cells. Collagen is the most abundant protein in extracellular matrix. A de novo approach is essential for the synthesis of collagen matrices which can have a broad impact on the understanding of matrix biology and our capacity to construct safe and medically useful biomaterials. Conventionally, the ECM has been studied by an analytical "top-down" approach, where the individual components of the matrix are first isolated and then characterized to explore their biochemical and functional properties. Since native collagen is difficult to modify and can engender pathogenic and immunological side effects, its application on tissue regeneration is limited. Therefore, we attempted to synthesize artificial collagen directly through small organic molecule recognition. The collagen-like peptides possess various benefits such as being clean, programmable, and easy to modify; therefore, in recent years, they have been used as ideal substrates for the synthesis of collagen nanomaterials. The self-assembly of collagen-like peptides is mainly driven by various non-covalent interactions such as electrostatic attraction, π-π stacking, and metal coordination. This renders a difficulty in the rational design of uniform nanostructures from short synthesized peptides and demands a novel strategy. To date, small organic molecules have been rarely used for the self-assembly of collagen-like peptides. In the present study, we attempted to use the small organic molecules for the combined supramolecular self-assembly of collagen-like peptides. Initially, the collagen-like peptides, (POG)₆ and (POG)₈, synthesized by the solid-phase synthesis technique, were both modified chemically using 4, 4'-methylene bis(phenyl isocyanate) to obtain the collagen-like hybrid peptides, AP₆ and AP₈, respectively. Phenyl isocyanate contributes to the formation of potential weak forces, such as hydrogen bonds and π-π stacking at the N-terminal regions of the collagen-like hybrid peptides. The purity and molecular weight of the collagen-like hybrid peptides were analyzed using analytical high-performance liquid chromatography (HPLC) and matrix-assisted laser desorption ionization time of flight (MALDI-TOF), respectively. The stability of AP₆ and AP₈ triple helices was analyzed by circular dichroism (CD) spectroscopy. The small organic molecule 4, 4'-methylene bis(phenyl isocyanate) promoted the unfolding of (POG)₆ and increased the melting temperature (T_m) of (POG)₈ from 37.7 to 58.8 ℃to form a triple helix. The hydrodynamic radii of collagen-like hybrid peptides were measured by dynamic light scattering (DLS). Atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM) were used to analyze the morphology of the aggregation states. AFM results showed that the collagen-like hybrid peptides, AP₆ and AP₈, formed nanofibers spontaneously. Consistent with the AFM results, TEM showed that the AP₆ and AP₈ collagen-like hybrid peptides also formed nanofiber structures. The formation of stable complexes was attributed to the presence of multiple weak interactions such as hydrogen bonding, π-π stacking, and hydrophobic interactions. In the present study, we demonstrated that the chemical modification of collagen-like polypeptides at the N-terminus via the small organic molecule, 4, 4'-methylene bis(phenyl isocyanate), promoted the intramolecular and intermolecular assembly of collagen-like peptides. A simple and effective strategy has been developed in this study to promote the self-assembly of collagen-like peptides.     

3, 4-二乙氧基苯甲酸与2, 2'-联吡啶三元稀土配合物的合成、晶体结构及热化学性质

本文合成了两种三元稀土配合物[Ln（3, 4-DEOBA）₃DIPY]₂DIPY（Ln=Er（1）,Gd（2）;3, 4-DEOBA：3, 4-二乙氧基苯甲酸根;DIPY：2, 2'-联吡啶）,通过元素分析,红外光谱和单晶X-射线衍射对配合物进行表征和分析。实验表明两种配合物是同种晶型的双核分子,相邻结构单元通过π-π作用形成一维链状和二维层状的超分子结构。同时还利用同步热分析与傅里叶变换红外联用（TG-FTIR）技术对配合物的热分解机理进行分析。通过差示扫描量热（DSC）技术,测得两种配合物的摩尔热容,将所得配合物的摩尔热容与折合温度进行多项式拟合,并根据热力学方程,计算得到了两种配合物的舒平摩尔热容和热力学函数值。