双对位给受体型共轭盘状分子的研究

给受体取代的共轭大环盘状分子的研究已成为当今新材料和新能源领域中的研究热点之一，但当前报道的此类分子的结构大多属于单重电荷转移类型。本申请项目旨在系统开发和研究一类具有双重电荷转移特征的双对位给受体型共轭盘状分子。通过设计并合成一系列具有不同盘核和给受体结构的具有双重电荷转移特征的共轭盘状分子，并向此类刚性盘核体系中引入长烷基链等扰动因素调节这些平面或近平面分子的堆积方式, 促使其形成盘状液晶相，从而构筑二维乃至三维的电荷转移体系。系统研究与此类材料的二维或三维电荷转移性质密切相关的光电性能如非线性光学性能、光电转换性能和电荷传输性能等。筛选具有优良光电性能的新材料用于制作光电器件如光限幅器件、光伏电池等，力争得到高性能的光电器件。在实验工作的基础上，深入研究分子结构和材料性能之间的关系，探索其内部规律。

给受体取代的共轭盘状分子的研究已成为当今新材料和新能源领域中的研究热点之一，但当前报道的此类分子的结构大多属于单重电荷转移类型。本项目从分子设计的角度出发，旨在系统开发和研究一类具有双重或多重电荷转移特征的双对位给受体型共轭盘状分子。在此基础上构筑二维乃至三维的电荷转移体系。系统研究与此类材料的二维或三维电荷转移性质密切相关的光电性能如非线性光学性能、光电转换性能和电荷传输性能等。.在项目进展过程中，我们首先开发了以卟啉为盘核的X型双对位取代盘状分子，将其作为光敏剂制备成染料敏化太阳能电池，与其它结构的卟啉染料相比，双对位给受体型的卟啉分子所组装的电池表现出最为优良的性能，相对其它的卟啉其界面电荷复合率最小，光电转换效率最高，达到了N719染料电池光电转化效率的45 %。但在研究过程中我们也发现此类X型的盘状分子合成繁琐，分离困难。于是我们调整了研究思路，通过结合高效无副反应的点击反应在共轭盘核的周围引入不同的给受体结构，设计合成了一系列以卟啉、苯并菲、芘等盘状分子为盘核的具有双重或多重电荷转移特征的给受体型共轭盘状分子。通过紫外吸收光谱、荧光发射光谱、电镜、Z扫描测试等研究手段系统研究了与此类材料的电荷转移性质密切相关的光电性能如光谱性能、自组装性能和非线性光学性能等。在此基础上筛选具有优良光电性能的新材料制作了光电器件如光限幅器件、光伏电池等，其中以卟啉为光敏剂的染料敏化太阳能电池最高效率达到了8.26%。此外，我们还根据小分子太阳能电池的发展趋势，设计了一系列具有双重电荷转移结构的A-D-A型分子，其中基于IDT(BTTh2)2-H的太阳能电池器件在1:3的D/A比例下表现出0.93 V的开路电压，9.42 mA/cm2 的短路电流，48.5 %的填充因子，最终光电转换效率达到4.25 %。接下来，我们还拓展了研究范围，将石墨烯看作一种特殊的盘核，在石墨烯上键合了有机分子以提高其与液晶材料的相容性，在此基础上制备了石墨烯衍生物和液晶的复合体系，成功地调整了胆甾相液晶的螺距梯度分布，得到了宽波反射的效果。.通过项目的实施，成功开发了一系列新的具有双重或多重电荷转移特征的有机光电材料，拓展了有机光电材料的研究范围。在以上研究的基础上，已经发表和接收了20多篇SCI或EI检索的科研论文，申请了7项中国发明专利，其中6项已授权。