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Macromolecular Rapid Communication:高效线型苝二酰亚胺类小分子受体材料的分子设计

有机太阳能电池具有成本低、重量轻、可大规模溶液制备柔性器件等优点,备受学术界和工业界的关注。近年来逐渐兴起的非富勒烯受体材料由于克服了传统富勒烯受体材料成本高、在可见光区受吸收弱以及能级调控困难等缺陷,更加引起了科研工作者广泛的研究兴趣。苝二酰亚胺衍生物是一类极具代表性的非富勒烯受体材料。苝二酰亚胺单元含有刚性大π共轭平面结构,具有高的电子迁移率和强的光谱吸收。通过对苝二酰亚胺结构进行化学修饰,容易调节其光谱吸收和能级水平,实现与相应给体材料的光谱和能级匹配。然而,正是由于其刚性大π共轭平面结构使得苝二酰亚胺衍生物具有很强的自聚集性质,可以达到微米尺度。因此,苝二酰亚胺衍生物作为受体材料应用于有机太阳能电池时,活性层的相分离尺寸过大,非常不利于激子的有效分离和传输,进而影响光伏器件的能量转换效率。基于此,科学家们通常设计合成具有三维空间扭曲结构的苝二酰亚胺衍生物,达到抑制分子自聚集和优化活性层相形貌的目的。但是过度扭曲的分子结构又会降低这类材料的结晶性和电子迁移率。

Macromolecular Rapid Communication:高效线型苝二酰亚胺类小分子受体材料的分子设计

   近期,四川大学化学学院彭强教授课题组另辟蹊径,利用苝二酰亚胺臂位单键连接能形成相对自由的扭转角,首次设计合成了苝二酰亚胺三聚体,并通过氧族元素关环来协助优化苝二酰亚胺单元自身的平面性,获得了TriPDI-S和TriPDI-Se两个性能优良的苝二酰亚胺类小分子受体材料。该苝二酰亚胺三聚体通过单键旋转所形成的自由扭曲结构能有效抑制了苝二酰亚胺类分子的自聚集。同时,硒原子的引入和硫原子相比,也在一定程度上保持了苝二酰亚胺的平面性,改善了材料的结晶性,提高了其电子迁移率。硒原子关环的TriPDI-Se分子相对于硫原子关环的TriPDI-S也具有更强的光谱吸收,与PTB7-Th给体聚合物共混时也可以获得了更加优化的纳米相分离结构,从而使得器件效率从7.86%提升至8.82%。该工作报道的设计思路对发展相对线型的苝二酰亚胺类小分子受体材料指导意义。

相关结果发表在Macromolecular Rapid Communication (DOI:10.1002/marc.201700405)上,文章第一作者为四川大学博士生段玉伟,文章链接为https://doi.org/10.1002/marc.201700405,或直接点击左下角阅读原文按钮进行阅读。

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