高吸光性富勒烯分子的设计合成

Research in organic optoelectronic materials and organic semiconductors is rapidly advancing, and fullerene materials have received extensive attention in these fields owing to their unique molecular structures and electronic and photophysical properties. A remarkable achievement is that the power conversion efficiency of conjugated polymer-fullerene solar cells has exceeded 9%. However, the high molecular symmetry of C60 leads to low light-absorbance of fullerene materials, which restricts the performance and scope for their optoelectronic applications. This proposal is aiming at improving the light-absorbing property of fullerene. We propose the design and synthesis of three new types of high light-absorbing fullerene molecules, the DA-type, the dye-type and the copolymer-type fullerenes, through a novel "opencage strategy", and explore the reactions of conjugately fusing multiple chromophores to cage-opened fullerenes. The "opencage strategy" is cutting the framework of fullerene first and fusing strong electron-donors or dyes into the pi system of fullerene. Through this process, the symmetry of fullerene will be reduced to allow low energy transitions and the pi system will be greatly extended to lower the bandgap. Therefore, the light-absorbing property of fullerene materials can be greatly enhanced. This research will bring new opportunities for improving the performance and extending the application scope of fullerene optoelectronic materials.

随着近年来有机光电材料和有机半导体技术的迅猛发展，富勒烯因其独特的分子结构和光电性质在这些领域中的研究和应用受到广泛关注，其中基于共轭高分子与富勒烯的有机太阳能电池效率已经超过9%。但是，由于富勒烯的高度对称结构导致其吸光性弱，限制了富勒烯光电材料性能的进一步提高以及应用范围的进一步扩大。因此，本项目旨在开展改进富勒烯本征弱吸光性的合成研究，以"开孔策略"这一全新合成思路为指导，拟提出1.D-A型，2.染料型，3.共聚型三类新型高吸光性富勒烯分子的设计合成，同时探索富勒烯上多位点共轭接枝发色团的可能性，一方面利用开孔反应降低富勒烯的对称性，另一方面通过向富勒烯共轭体系植入强电子给体、染料等发色团片段扩展其共轭体系。通过上述方法，可以充分利用富勒烯丰富的pi电子以及富勒烯与发色团之间的电子相互作用降低带隙，大幅提高材料的吸光范围和吸光强度，为提升富勒烯光电材料的性能、拓宽其应用提供新机遇

在国家自然科学基金（21372053）的资助下，围绕高吸光性富勒烯材料设计合成开展了系列研究，同时在应用于有机太阳电池的富勒烯受体材料、高吸光性非富勒烯受体材料以及共轭高分子给体材料方面开展了研究，具体如下： .1. 开展了D-A型、染料型、共聚型三类高吸光性富勒烯分子的设计合成，初步探索了它们在有机太阳电池中的性能；.2. 开展了高性能富勒烯受体材料的研究，通过定位合成方法实现了异构纯双加成富勒烯受体材料的制备，在有机太阳电池中最高实现8.11%的能量转换效率，为目前基于双加成富勒烯受体电池的最高纪录；.3. 开展了高吸光性的非富勒烯材料的设计合成，合成了新型碳氧桥非富勒烯小分子受体材料，其中基于八环碳氧桥非富勒烯受体COi8DFIC具有非常强的近红外吸光能力，起峰吸收达1000nm，应用于三元有机太阳电池效率实现14.08%，是目前报道的单结有机太阳电池的最高效率；.4. 开展了D-A共聚物给体材料的设计合成，合成了多种高性能的D-A共聚物给体材料，其中基于三环内酰胺单元（DTP）单元的给体PDTP4TFBT在富勒烯以及非富勒烯电池中均表现出优良性能。.上述工作为新型有机光电材料的开发，尤其是应用于有机太阳电池的高性能材料方面提供了创新思路，部分研究成果得到了广泛关注，产生了较大的学术影响力。