以缺电子氮杂环构建的新型有机光电材料合成及性能研究

Constructing novel photovoltaic functional materials of high performance is a very challenging yet promising direction for the research and development of organic solar cells (OSCs). Among various structures, triarylamine and indoline derivatives are promising candidates to be applied in photovoltaic devices. In this project, a series of D-A structured novel triarylamine and indoline derivatives containing triazine or pyrimidine rings will be designed and synthesized. The binding manners between the donor part (triarylamine or indoline) and the acceptor moiety (triazine or pyrimidine rings), together with the electron-effect, the conjugation-effect and the steric-effect of the substituents at N-heterocycles will be systematically studied. The influence of the above mentioned factors on the synthesis, energy diagrams, photoelectric properties as well as the charge-separation process will be elaborately illustrated. The second acceptor, namely anthraquinone, fullerene and perylenediimide will be further introduced into the D-A formed triarylamine and indoline derivative molecules to construct D-A1-A2 structured derivatives with cascade of electron transfers. The effect of the introduction of the second acceptor on the synthesis, electrochemical properties and photovoltaic performance will also be carefully analyzed to give a guideline on the design of such high-performance functional molecules. In summary, this project will develop novel triarylamine and indoline derivatives, elucidate the structure-function relationship between the structure and the photovoltaic performance, and build a solid foundation on the development of organic photoelectric materials with high performances.

创制新型高性能有机光电功能材料是有机太阳能电池(OSC)领域的一个富有挑战性的重要研究方向。三芳胺和吲哚啉衍生物作为这类光电材料，则极具应用前景。本项目将设计合成含有均三嗪环或嘧啶环的系列新型D-A结构三芳胺和吲哚啉衍生物，阐明给体（三芳胺或吲哚啉）与受体（均三嗪环或嘧啶环）的键合基团和氮杂环上它取代基的电子效应、共轭效应和空间效应，分析三者对化合物的合成、能级分布、光诱导电子转移、电荷分离过程和光电性能的影响规律；接着引入富勒烯、蒽醌或苝酰亚胺为第二受体，设计合成系列D-A1-A2 联级电子转移结构化合物，分析第二受体引入对化合物的合成、电化学性能和光电性能的影响规律。课题的实施将研发出系列新型含缺电子氮杂环结构的三芳胺和吲哚啉衍生物，阐明化合物的结构与光电性能关系，揭示应用潜力，为进一步发展高性能有机光电功能材料奠定科学基础。

有机太阳能电池中高光电转化效率和高稳定性的实现一直是新能源领域研究的热点。而借鉴自然界的光合作用系统，设计具有长寿命电荷分离态的分子作为光电材料，是提高电池效率和稳定性的一种思路。为了探索利用电荷分离类光电材料提升电池光电性能的可行性，本项目以苯基取代的苯乙烯基咔唑，端位未取代的、端位甲基、甲氧基、辛氧基取代的苯乙烯基三苯胺，和苯基取代的苯乙烯基吲哚啉为电子给体，缺电子氮杂环均三嗪基团为电子受体构建Donor-Acceptor（D-A）二元电子转移体系。这些D-A体系内皆存在有效的光诱导电子转移过程，随着上述给体部分给电子能力的增强，依次产生57ns-215ns的电荷分离态寿命，这是由电子回传驱动力与电子转移重组能共同作用决定的。接着将苝酰亚胺，蒽醌和富勒烯衍生物作为第二受体引入上述D-A体系构建D-A1-A2阶梯式电子转移体系，在含苝酰亚胺的体系中，由于电荷分离态能级高于第二受体三重态能级，即存在电荷分离态向第二受体三重态的转化过程，使得这类D-A1-A2体系的电荷分离态寿命相比其D-A前体并无明显改变甚至降低，但这种转化却有利于微秒级长寿命第二受体三重态的形成。在含蒽醌和富勒烯的体系中，电荷分离态能级高于第二受体三重态能级，导致微秒级长寿命电荷分离态的形成，以这两类分子为有效层制备的单层有机太阳能电池器件光电性能相比其D-A前驱体器件有了显著提高，这充分说明了D-A1-A2理念在有机光电材料设计上的合理性和有效性。项目还研发了以苯乙烯基三苯胺或吲哚啉衍生物为给体、氰基丙烯酸嘧啶为受体的，具有纳秒级电荷分离态寿命的电荷分离型染料分子，将其应用于染料敏化太阳能电池中，这类染料提升了电池中染料向光阳极的电子注入效率并降低了电荷复合速率，导致内量子效率明显增加，这有效提高了此类电池的光电转化性能。