苝酰亚胺类半导体材料介观超分子结构调控及在光伏器件中的应用

Starting from the molecular design of perylene bisimide, in this project we try to control molecular aggregation structure and morphorlogy through molecular contorsion and directional intermolar H-bondings. J-aggregation is designed, and nano-sized particles, fibers and core-shell structure p-n heterojunction are planed to be prepared from different solvent systems by tuning the intensity of H-bonding between imide group and solvent molecules. The different nano-materials will be used as electrode modification thin layer to collect electrons in inverted organic photovoltaic devices and as electron acceptor materials in ordered p-n heterojunction photovoltaic cells.The relationship between the aggregation structure, aggregation morphology and the function of electron collection and acception will be studied in detail. The goal of this project is to develop the methods to control the aggregation stucture and morphorlogy, to establish the electon collection meckanism when perylene bisimides are used as electron collection materials, and finally to obtain highly efficient electron collection materials based on perylene bisimides. The power conversion efficiency of the inverted photovoltaic cells using perylene bisimide nano-materials as the electron collection layers is expected to exceed 10%.

本项目从苝酰亚胺类化合物的分子结构设计入手，通过协同调控分子间π-π相互作用与分子间氢键相互作用调控分子堆积结构，形成有利于激子离域和吸收红移的J-聚集；通过调控酰亚胺基团与溶剂间的氢键实现对苝酰亚胺聚集形貌与聚集尺寸的可控制备。利用苝酰亚胺有序纳米结构聚集体作为电子收集材料修饰阴极并制备倒置结构的有机太阳电池器件；研究不同分子堆积结构、聚集形貌与聚集尺寸在器件中对收集电子的影响规律。利用苝酰亚胺有序聚集体作为电子受体材料在共混体系中构筑有序相分离结构，并制备光伏器件，研究有序相分离器件中分子堆积结构、聚集形貌与聚集尺寸对器件性能的影响规律。本项目的最终目标是发展用于有机光伏器件中的基于苝酰亚胺有序聚集体的高效阴极修饰材料与非C60类电子受体材料。争取利用苝酰亚胺有序聚集体作为电子收集材料制备出能量转换效率超过10%的倒置有机太阳电池器件。

本项目围绕苝酰亚胺类分子聚集结构与聚集形态对激子的形成与扩散以及电子的转移与迁移的影响等关键科学问题与技术难题开展研究工作,充分利用苝酰亚胺的大π分子结构与缺电子特点解决聚合物太阳电池中活性层相分离调控与电池阴极修饰层电导率低等关键问题。项目执行期发表SCI论文30篇，申请中国发明专利3项（授权1项）。取得了如下研究成果：.1）设计合成了系列苝酰亚胺类分子，通过选择溶剂体系调控分子间氢键实现了对聚集形貌的有效调控，通过改变分子结构有效抑制分子间强聚集；通过分子结构设计，利用具有扭曲结构的苝酰亚胺分子间氢键作用形成苝酰亚胺J-聚集，同时利于具有平面分子结构的卟啉分子间π-π相互作用形成卟啉聚集，实现了给体（卟啉）与受体（苝酰亚胺）共混体系中理想的高相纯度相分离结构；.2）使用不同聚集形态的苝酰亚胺聚集体修饰ITO电极，发现纳米线聚集体相比于纳米颗粒状聚集体能够更加有效降低ITO功函，从而更适用于制备倒置结构的聚合物太阳电池器件；发现苝酰亚胺与ZnO间的化学键连，增加了ZnO（无机）与苝酰亚胺（有机）间界面的相容性，使得从无机电极到有机活性层之间每一层界面都具有高相容性，使用这种有机-无机共同界面制备倒置结构聚合物太阳电池器件，获得了10.3%的器件效率。对苝酰亚胺聚集调控、自掺杂特性的深入研究表明，经典的n-型半导体共轭分子在阴极界面修饰方面具有很高的应用前景。.3）发展出了一类有机-无机杂化的光电导阴极修饰材料，提出了利用光掺杂解决传统阴极修饰材料电导率低的新思路，获得了电极修饰层厚度在100nm、活性层厚度在300-600nm条件下聚合物太阳电池超过10%的能量转换效率。这一成果将大大降低将来大面积、快速加工聚合物太阳电池的难度，从而有效降低聚合物太阳电池的加工成本。