化學所在新型pi-分子材料的設計及應用研究中取得系列進展

2021-01-09 中國科學院
化學所在新型pi-分子材料的設計及應用研究中取得系列進展

2016-12-27 化學研究所

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語音播報

　　發展新型有機pi-分子材料並應用於太陽能電池、場效應電晶體和發光二極體等領域是有機光電子學的重要研究內容。在中國科學院戰略性B類先導科技專項支持下，中科院化學研究所有機固體院重點實驗室朱曉張課題組研究人員發現具有醌式增強效應的噻吩[3,4-b]並噻吩(TbT)（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10357-10366）有可能在有機光電子學領域獲得廣泛應用。近年來，他們在TbT選擇性官能化基礎上發展了一系列新型功能pi-分子材料（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11294-11302; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16176-16184; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11194-11198），在場效應電晶體和太陽能電池等方面展現出良好的應用前景。

　　相比於p-型有機半導體材料，空氣穩定的n-型有機半導體材料的發展顯著滯後。醌式寡聚噻吩是一種典型的n-型半導體材料，但在過去十多年研究中，其電子遷移率未能突破1.0 cm2 V-1 s-1，這可能是由於其一維分子結構限制了pi-pi堆積。研究人員設計併合成了一類兩維pi-拓展醌式三噻吩2DQTT並取得了3.0 cm2 V-1 s-1的電子遷移率。在此基礎上，研究人員繼續對該分子體系的區域化學及烷基鏈對薄膜堆積的影響進行深入研究，發展了遷移率和開關比分別為5.2 cm2 V-1 s-1和106的2DQTT-o-B，是目前報導的溶液加工、空氣穩定n-型有機小分子薄膜電晶體的最高值，相關成果發表在Adv. Mater. 2016, 28, 8456-8462上。

　　在太陽能電池領域，研究人員基於D-A結構和醌式化兩種經典策略，提出通過「增強D-A體系醌式共振」設計構建有機光伏材料的新思路。通過引入醌式化TbT功能單元，設計了新型小分子給體材料STB-n（圖2a），該類材料具有與PCBM相匹配的電子結構，通過側鏈調控，小分子給體材料STB-3的光電轉化效率高達9.26%，證明了該思路對於小分子給體材料設計的可行性，相關成果發表在J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17354-17362上。與此同時，研究人員在小分子給體材料研究基礎上，通過在TbT和繞丹寧上引入拉電子基團，降低化合物LUMO能級，設計了一類非富勒烯受體新材料ATT-1（圖2b）。該材料在500-800 nm範圍內具有寬的光譜吸收，通過與廣泛應用的給體材料PTB7-Th匹配，光電轉化效率高達10.07%，相關成果發表在J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15523-15526上。該研究表明「增強D-A體系醌式共振」策略對於有機光伏給/受體材料設計具有重要的指導意義。

 

圖1 兩維pi-拓展的醌式三噻吩化合物及其電子遷移率

 

圖2 基於TbT的新型太陽能給體（a）和受體（b）材料

　　發展新型有機pi-分子材料並應用於太陽能電池、場效應電晶體和發光二極體等領域是有機光電子學的重要研究內容。在中國科學院戰略性B類先導科技專項支持下，中科院化學研究所有機固體院重點實驗室朱曉張課題組研究人員發現具有醌式增強效應的噻吩[3,4-b]並噻吩(TbT)（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 10357-10366）有可能在有機光電子學領域獲得廣泛應用。近年來，他們在TbT選擇性官能化基礎上發展了一系列新型功能pi-分子材料（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11294-11302; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16176-16184; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11194-11198），在場效應電晶體和太陽能電池等方面展現出良好的應用前景。
　　相比於p-型有機半導體材料，空氣穩定的n-型有機半導體材料的發展顯著滯後。醌式寡聚噻吩是一種典型的n-型半導體材料，但在過去十多年研究中，其電子遷移率未能突破1.0 cm2 V-1 s-1，這可能是由於其一維分子結構限制了pi-pi堆積。研究人員設計併合成了一類兩維pi-拓展醌式三噻吩2DQTT並取得了3.0 cm2 V-1 s-1的電子遷移率。在此基礎上，研究人員繼續對該分子體系的區域化學及烷基鏈對薄膜堆積的影響進行深入研究，發展了遷移率和開關比分別為5.2 cm2 V-1 s-1和106的2DQTT-o-B，是目前報導的溶液加工、空氣穩定n-型有機小分子薄膜電晶體的最高值，相關成果發表在Adv. Mater. 2016, 28, 8456-8462上。
　　在太陽能電池領域，研究人員基於D-A結構和醌式化兩種經典策略，提出通過「增強D-A體系醌式共振」設計構建有機光伏材料的新思路。通過引入醌式化TbT功能單元，設計了新型小分子給體材料STB-n（圖2a），該類材料具有與PCBM相匹配的電子結構，通過側鏈調控，小分子給體材料STB-3的光電轉化效率高達9.26%，證明了該思路對於小分子給體材料設計的可行性，相關成果發表在J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17354-17362上。與此同時，研究人員在小分子給體材料研究基礎上，通過在TbT和繞丹寧上引入拉電子基團，降低化合物LUMO能級，設計了一類非富勒烯受體新材料ATT-1（圖2b）。該材料在500-800 nm範圍內具有寬的光譜吸收，通過與廣泛應用的給體材料PTB7-Th匹配，光電轉化效率高達10.07%，相關成果發表在J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15523-15526上。該研究表明「增強D-A體系醌式共振」策略對於有機光伏給/受體材料設計具有重要的指導意義。
 
圖1 兩維pi-拓展的醌式三噻吩化合物及其電子遷移率
 
圖2 基於TbT的新型太陽能給體（a）和受體（b）材料

列印 責任編輯：葉瑞優

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