基于碗烯C20的可溶三维共轭体系的构建及应用

Compared with planar two dimensional conjugated compounds, three dimensional molecules have unique properties and applications. New three dimensional conjugated systems should be constructed because of their broad application prospects and limited counterparts. Herein, naphthalene units and electron-withdrawing imide groups are introduced to the core of curved C20 to overcome the shortcoming of C20: very weak absorption in the visible range, small conjugated core, and poor solubility. Target compounds with large conjugated systems, strong absorption, and excellent solubility will be obtained. We will investigate basic properties of these compounds like absorption, fluorescence, electrochemistry, stability, etc. Their applications in organic field-effect transistors, bulk heterojunction solar cells, and self-assemblies will also be studied.

与平面二维共轭化合物相比，三维共轭体系具有独特的性质和应用，目前三维共轭分子的类型少、合成困难，急需用简便易行的方法构建新的三维共轭体系。申请人在以前合成萘嵌苯类和酰亚胺类有机半导体的工作基础上，将萘单元和吸电子基团酰亚胺通过梯形共轭的方式引入到曲面共轭化合物C20的共轭体系上，用以解决C20可见吸收极弱、共轭体系较小、溶解性差的缺点，期望得到具有较大共轭体系、较强可见吸收、较强电子接受能力、溶解性可调的三维共轭体系，研究目标分子的吸收、荧光、电化学、稳定性等基本性质，探讨它们在有机溶剂中或固体表面上的自组装，探索它们在有机场效应晶体管和体相异质结太阳能电池中的应用。

与传统平面共轭体系相比，三维共轭体系具有其独特的性质和应用。在体相异质结有机太阳能电池领域，三维结构的受体材料能够使其分子间聚集作用减小，进而利于电子空穴对的分离及传输。本项目构筑了系列新型的具有三维结构的有机电子受体材料，并研究其吸收、荧光、电化学、稳定性等基本性质和它们作为受体材料在有机太阳能电池中的应用。代表性工作介绍如下：1）亚酞菁类化合物作为一种优秀的有机半导体材料。但在有机光伏领域，其较差的溶解性以高的L UMO能级 (-3.5 eV) 限制了其在有机太阳能电池中的应用。我们基于酰亚胺的优秀性质将其首次引入亚酞菁的母体分子成功合成了10个化合物并应用于体相异质结太阳能电池。结果表明这些化合物在450-650 nm处具有较强的吸收；LUMO能级(-3.9 eV)，具有较强的接受电子能力；同时N、B 原子端能够进一步的化学修饰，形成了一种具有能级合适，溶解性、结晶性可调的新型 酞菁受体材料。基于此材料的体相异质结太阳能电池器件，获得了4.95% 的光电转化效率，为当时此类可溶液处理材料的最高效率。2）将三个酰亚胺基团引入亚萘酞菁分子，合成系列具有三维共轭结构的亚萘酞菁分子，基于此类受体材料的太阳能电池的转化率达到6.25%，为可溶液处理酞菁材料的最高效率之一。3我们合成了在港湾位引入Se原子的三维梯形共轭的扭曲的苯并二苝酰亚胺（TBDPDI-Se），目标化合物在300-600 nm范围内有很强的吸收。这些化合物和PBDB-T一起制作成本体异质结（BHJ）太阳能电池的活性层。在没有添加剂的条件下可 可 获得7.41%的光电转化效率。4）从商品化的苝酰亚胺出发，通过多步反应，合成了可溶的重要中间体溴代苝单酰亚胺，利用这个中间体，设计合成了8个具有不同吸收的电子受体。本项目设计合成的具有三维空间结构的新型有机电子受体，为有机太阳能电池的研究贡献了新的材料和思路。