基于8-羟基喹啉的受体分子构筑及其在太阳能电池中的应用

Excellent acceptors are scarce in organic solar cells. 8-Hydroxyquinoline metal complexes are outstanding light emitting materials. They are nice electron transporting compounds with good film forming ability and high stability. However, they can not be used as solution processable acceptors in organic solar cells, because of their high LUMO energy levels, poor solubility, and narrow absorption range. The naphthalene and perylene monoimide will be introduced to hydroxyquinoline metal complexes by fusion of the conjugated cores in this project. Their LUMO energy levels are expected to fall upon introduction of electron-withdrawing imide groups. Their solubility and crystalline are expected to be controlled with different alkyl substituents at N atoms. Their absorption range are expected to extend by increasing the conjugated core. Target compound Al(NMI-q)3 (structure is shown in Figure 16) has been obtained. It shows low LUMO energy level (-4.05 eV), broad absorption range (300-800 nm), and nice solubility. Target complexes with different central ions, different ligands, and different geometries will be synthesized next. Several excellent acceptors which are suitable for organic solar cells are expected to be screened.

目前，有机太阳能材料中优秀的受体材料比较稀缺。8-羟基喹啉金属配合物是一类优良的电致发光材料，具有电子传输性能优良、成膜性好、稳定性强的优点。然而因为它们LUMO能级较高、溶解性较差、吸收范围较窄，因此不适合作为可溶液加工的有机太阳能电池受体材料。该项目拟将萘酰亚胺和苝酰亚胺单元通过梯形共轭的方式引入到羟基喹啉金属配合物。通过强吸电子单元酰亚胺的引入，降低分子的LUMO能级；通过酰亚胺N原子上烷基取代基引入，增加分子溶解性，调节分子的结晶性；通过共轭体系的增大来增加分子的吸收范围。前期工作中已经合成目标分子Al(NMI-q)3 （结构见图16），证实了其LUMO能级低（-4.05 eV），吸收范围宽（300-800 nm），可溶液加工的特点。该项目将进一步系统合成具有不同中心金属离子、不同羟基喹啉配体和不同空间构型的目标配合物，期望获得性能优良，适合用于体相异质结太阳能电池的优秀受体材料。

有机太阳能电池具有制备成本低、质量轻、易于制作等优势，引起了人们的广泛关注。本项目研究聚焦在有机太阳能材料中比较稀缺的优秀受体材料领域，将拥有载流子传输性能优良、成膜性能好、稳定性强特点的8-羟基喹啉类化合物与具有强的电子接收能力、高的稳定性及溶解性的萘酰亚胺（NMI）和苝酰亚胺（PDI）两类分子结构结合，研究构筑系列酰亚胺类金属配合物，并探索它们在太阳能电池中的应用。并以此为思路拓展研究内容，将拥有稳定三线态的双环戊二烯基金属体系和在可见光区域有较大吸收范围且LUMO-HOMO能极差较小的酞菁类衍生物分别与PDI类分子结合，或将具有较宽的吸收范围、可调节的前沿轨道能级和良好热稳定性的吡咯并吡咯二酮（DPP）类衍生物引入分子体系进行性能调控研究。系列合成工艺研究后获得8类共23种兼顾上述分子设计结构特征的新型金属配合物，与此同时还得到14个小分子配体或受体材料的高效合成路线。通过系列功能分子的性质研究实验，证实功能分子结构中强吸电子酰亚胺的引入能有效降低分子的LUMO能级，并且PDI等分子结构中酰亚胺N原子上烷基取代基引入有效提高分子溶解性，易于纯化和溶液加工的利用。不同结构取代基还能够有效调节分子的聚集效果和结晶性，通过共轭体系或引入金属配体明显增加分子的吸收范围，多数功能分子在可见光区域体现出较宽的吸收，具备良好的受体材料所需的性能特征。根据配合物功能分子的性质，匹配与之对应的给体分子开展体相异质结太阳能电池应用研究。目前未能在器件效率上取得突破，但苝酰亚胺类化合物和8-羟基喹啉构筑的金属配合物体现出相对较好的应用前景。随着器件制备方法不断完善，相信构筑的功能性分子能够给予有机太阳能电池受体材料研究更多选择，并且展现出分子结构对应的光电材料分子特性。项目开展研究同时，也对研究过程中展现出独特性能的分子进行拓展研究，分别在近红外染料和金属荧光识别等相关领域中得到应用。