柱芳烃光电功能材料的设计、合成与应用

Dye aggregation normally reduces the power conversion efficiency (PCE) value of a dye-sensitized solar cells (DSSCs), because π-stacked aggregates favor the deactivation of excitons by internal conversion, so that the transformation of light to electrical power is declined. This project focuses on the design and synthesis of novel pillararene-based sensitizers (PS) as photoelectronic functional materials, and their applications in DSSCs. By introducing a variety of donor groups and acceptor groups into the pillararene unit, a series of pillararene-based sensitizers are designed and synthesized. The basic scientific topics of the pillararene-based sensitizer system, such as the light-harvesting performance, the host-guest interactions and the aggreation will be studied. The pillararene-based sensitizers will be applied to build DSSCs, and the performance of the DSSCs will be evaluated, revealing the general scientific principles of the system, such as the relationship between the performance of the DSSCs and the structure of the sentizers, especially how to affect the power conversion efficiency of the DSSCs by the anti-aggregation and host-guest interactions of the sensitizers. This design of pillararene-based sensitizers might open up a novel promising organic sensitizer which can avoid aggregation, leading to an effective DSSCs. This project has important significance for the development of pillararene chemistry and supramolecular science and applications in the field of organic photoelectronic functional materials.

有机染料分子的聚集和暗电流的产生是导致染料敏化太阳能电池光电转换效率低的重要原因。本项目利用柱芳烃特殊的柱型结构和主客体络合能力，拟开发一类既能够抗聚集又能够抑制暗电流的柱芳烃染料，并探讨其对太阳能电池光电转换效率的影响。主要研究内容包括：1）通过偶联等反应把共轭基团连接到柱芳烃上，制备柱芳烃中间体；然后引入电子给体（D）和电子受体（A），合成D-π-A结构和D-A’-π-A结构的柱芳烃染料；2）将合成的柱芳烃染料应用于染料敏化太阳能电池的构建；3）研究柱芳烃染料的主客体作用和抗聚集性能，探讨主客体作用在抑制染料分子聚集和防止暗电流方面的作用机制，揭示其影响太阳能电池光电转换效率的一般规律。本项目首次把柱芳烃应用于光电材料领域并开发一类新的超分子光电材料，为染料分子聚集和暗电流产生的解决方法提供新思路，为制备高效太阳能电池提供新材料。

有机染料分子的聚集和暗电流的产生是导致染料敏化太阳能电池（DSSCs）光电转换效率低的重要原因。本项目利用柱芳烃特殊的柱型结构和主客体络合能力，开发一类既能够抗聚集又能够抑制暗电流的柱芳烃染料，构建了柱芳烃染料敏化太阳能电池。主要研究结果如下：1．柱芳烃基团的引入有效地抑制染料分子在溶液和TiO2表面的聚集，提高光电压；2．通过在染料D-π-A骨架的受体部分接入柱芳烃，可以显著增加注入TiO2电子的回传阻力和延长电子寿命，较大幅度地提高光电压；3. 柱芳烃染料的分子体积较大，会减少负载量，导致光电流降低；4. 电解液中1,3-二取代的咪唑鎓离子可以与柱芳烃发生超分子作用，并进入柱芳烃空腔；5. 柱芳烃染料与电解液中的1,3-二取代咪唑鎓盐之间的超分子作用可以调控DSSCs性能；6.柱芳烃空腔通过超分子作用络合咪唑鎓离子后，通过离子对的静电吸引作用，提高周围I-离子浓度，促进氧化态染料的再生；7. 如果柱芳烃单元离TiO2表面过近，将会导致注入到TiO2的电子会回传给I3-离子，降低电子寿命和回传阻力。本项目把柱芳烃应用于光电材料领域并开发一类新的超分子光电材料，为染料分子聚集和暗电流产生的解决方法提供新思路，为制备高效太阳能电池提供新材料。..此外，本项目通过具有聚集诱导荧光增强（AIEE）性质的共轭柱芳烃聚合物与共轭客体分子进行自组装形成超分子网络（CPSN）。该网络结构有利于能量传输，提高荧光共振能量转移效率,可应用于新型人工光捕获体系。在溶液状态下，该CPSN体系的天线效应高达35.9，为当年（2019）报道的人工光捕获体系天线效应的最高值。由于CPSN内的非共价相互作用，双结合位点客体分子可以被束缚在刚性聚合物主体两个链的重复单元之间，彼此分离，从而避免聚集引起的荧光淬灭的影响。由于CPSN的AIEE单元、共轭聚合物的分子导线和信号放大效应的协同作用，导致高效的能量传递，有望成为一类高效的人工光捕获体系。