1,2,5,6-萘二酰亚胺共轭聚合物的合成、能级调控与光电性能研究

Conjugated polymers have excellent film-forming ability, solution processability and mechanical properties, and are attracting more and more attention due to their potential applications in low-cost, large-area organic photoelectric devices. Although great progress has been achieved in the field of polymer semiconductors, there are still some challenging issues, e.g. the lack of polymer semiconductors with excellent comprehensive performance, the structure-performance relationship is still unclear, the effective molecular design and high efficient green synthetic methods for polymeric semiconductors are highly desirable. Aiming at above challenging issues, the applicant will carry out the research work on novel polymer semiconductors. 1,2,5,6-naphthalene diimides (1,2,5,6-NDI) could form more coplanar backbone with the adjacent substituted aromatic groups and has molecular orbital energy level with large tuning space. In this project, we select 1,2,5,6-NDI as the basic structural unit to prepare conjugated polymers with other conjugated moieties that have different electron-donating/electron-accepting properties. Fine tuning the polymer orbital energy level and the high efficient green synthesis of the target polymers will be highlighted. The effects of the polymer main chain and side chain structures on the polymers’ physicochemical property and aggregation structure will be systematically investigated. The photoelectric devices based on 1,2,5,6-NDI conjugated polymers will be fabricated and characterized to screen high performance polymer semiconductors and to understand the correlation among polymer design, aggregation structure and photoelectric property.

共轭聚合物具有良好的湿法成膜性和机械性能，可低成本、大面积制备有机光电子器件，成为有机光电材料的研究热点。尽管聚合物半导体取得了长足的进展，综合性能优良的聚合物半导体仍然缺乏，其结构与性能的关系仍不明晰，缺乏有效的设计策略和高效、绿色的合成方法。针对聚合物半导体面临的科学问题，申请人拟开展新型聚合物半导体材料研究。基于1,2,5,6-萘二酰亚胺（1,2,5,6-NDI）与邻位芳基较好的共平面性和可调控空间较大的分子轨道能级，以1,2,5,6-NDI为基本结构单元，与具有不同给/受电子能力的共轭单元共聚，并探索高效、绿色的聚合方法，对目标共轭聚合物的能级结构进行精细调控，系统研究聚合物主链/侧链结构对聚合物基本物理化学性质和聚集态结构的影响，构筑基于1,2,5,6-NDI共轭聚合物的光电子器件，获得综合性能优良的聚合物材料，并对材料的结构设计、聚集态结构和光电性能的关联形成规律性认识。

有机聚合物半导体材料具有良好的机械性能、可溶液加工性和成膜性，非常适用于印刷电子技术，成为有机光电材料的研究热点和寻求技术突破的着力点。然而，目前仍缺乏综合性能优良的聚合物半导体材料（特别是n-型和双极性聚合物材料，以及聚合物电子受体材料），缺少有效的材料设计策略。本项目针对聚合物半导体材料面临的关键科学问题展开研究，取得了一系列创新性的研究成果：基于1,2,5,6-NDI构筑单元，发展了系列1,2,5,6-NDI的D-A共轭聚合物，对其能级精确调控，实现了此类D-A共轭聚合物载流子传输特性的转变(p-型→n-型)；基于1,2,5,6-NDI母核，利用核π-扩展的策略，设计合成了新型共轭分子骨架二噻吩并䓛二酰亚胺（DTCDI），DTCDI具有扭曲的分子骨架和较强的化学衍生性，可用于构筑多种类型的有机光电子材料，如四氰基取代的DTCDI衍生物具有低的LUMO能级，其OFET器件电子迁移率可达0.25 cm2 V-1 s-1；实现了DTCDI结构单元的高分子化，发展了基于DTCDI的特色聚合物体系，获得了高性能、多功能的n-型聚合物半导体材料，如基于DTCDI和联二噻吩的共轭聚合物P3，其全聚合物太阳能电池未经任何退火处理，能量转化效率高达7.52%，这是目前全聚合物太阳能电池较高能量转化效率之一，P3作为钙钛矿太阳能电池（PVs）的电子传输材料，电池能量转化效率可达18% (优于n-型明星小分子PCBM和明星聚合物N2200的性能)；基于1,2,5,6-NDI和1,4,5,8-NDI构筑单元，发展了系列无规D-A共聚物，实现了其高效合成、载流子传输行为从p-型、双极性到n-型的精细调控及在有机场效应晶体管等器件中的应用。本项目的研究结果丰富了NDI类共轭聚合物材料体系，获得了具有自主知识产权的综合性能优良的聚合物半导体材料，为聚合物有机半导体材料的发展奠定了研究基础，提供了研究思路。