并四苯超分子体系中单线态激子裂分性质的研究

Singlet Fission (SF) can achieve photon down-conversion and has the potential application value in improving the photovoltaic conversion efficiency of the solar cell. However, it is difficult to apply the existing SF materials into the solar cell. Focusing on the developing of novel SF materials, the tetracene supramolecular systems with highly efficient SF are constructed by the non-covalent interactions including π-π interaction, hydrogen bonding, hydrophobic effects and electrostatic interaction. Then the relationship between the structure of the supramolecular aggregates and the SF properties is discussed, which can provide theoretical guidance for designing new SF materials. Comparing to the available SF materials, supramolecular aggregates with high SF efficiencies can also achieve long-lived triplet state and easily tuned photophysical properties, which can promote the application of SF into solar cells. This is very meaningful for the development of photovoltaic industry of our country.

单线态裂分（Singlet Fission, SF）材料可以实现光子的下转换，在提高太阳能电池的光电转化效率方面具有潜在的应用价值，而现有的SF材料在太阳能电池中的应用均比较困难。为此，本课题将围绕开拓新型SF材料这一主题，选取并四苯及其衍生物作为构筑模块，利用π-π、氢键、亲疏水以及静电等弱相互作用将其组装成具有高效率SF的超分子聚集体。通过改变聚集条件来调控超分子聚集体的结构，探讨聚集体结构与SF性质之间的关系，为设计新型的SF材料提供理论指导。与现有的SF材料相比，具有高效率SF的超分子聚集体可以同时具备长寿命的三线态以及灵活调节的光物理性质，更容易与电池中的光电转化过程相衔接，有利于实现SF在太阳能电池中的应用，这对于促进我国光伏产业的发展具有重要意义。

单线态裂分（SF）可以实现光子的下转换，在提高太阳能电池的光电转换效率方面具有潜在的应用。现有的SF材料主要包括有机小分子的晶体薄膜和共价键连接的二聚体，但是它们在太阳能电池中的应用均比较困难。于是，我们展开了超分子聚集体中单线态裂分的研究，超分子聚集体易制备，而且分子的长程有序排列可以为三线态的扩散提供空间，从而取得长寿命的三线态，更有利于其在电池中的应用。经过三年的研究，得到以下几个重要结果：（1）通过在并四苯分子上引入羧基，可以为水相中超分子聚集体的形成提供额外的亲水作用力，使分子之间呈现更平行、更紧密的排列，从而增强聚集体中分子之间的相互作用，进而提高SF的效率;（2）通过调节并四苯分子上羧基的数目，可以调控形成超分子聚集体时分子之间的排列方式，单羧基的引入可以促使分子形成平行的排列，有利于SF的进行，但是不利于三线态对的分离。双羧基的引入会使分子呈现错开的排列方式，有利于三线态对的分离扩散，进而形成长寿命的三线态;（3）我们得到了一个由蒽-并四苯组成的混合型超分子聚集体，其吸收范围可以覆盖325 nm-550 nm，此外还可以实现高效率的SF，相比于单一生色团的SF体系来说，宽吸收范围以及高效率SF使得其在太阳能电池中的应用具有更好的前景;（4）共价键连接的分子聚集体中聚集数目的增多可以为三线态对的分离提供空间，促进其分离生成自由的三线态。其中并四苯四聚体是当时报道的在溶液中取得的最高三线态量子产率（128%），而且其三线态寿命可以达到百微秒以上。此外我们与合作者还利用磁场中的荧光和瞬态吸收光谱手段首次揭示了三线态对的分离机制;（5）首次在蒽二聚体的晶体薄膜中同时实现了高效率的SF（164%）、高的三线态能级（1.5 eV），这些有利于其与现有电池（例如硅电池）的串联结合。.总之，我们不仅得到了具有高效率SF的体系，还进一步完善了SF的机制，其中一些设计规律不仅适用于并四苯，而且还适用于其他的SF生色团，这些均为设计一些新型的具有实用价值的SF材料提供了理论指导。