卟啉酞菁类分子光伏材料的设计合成和性能研究

Porphyrins and phthalocyanines are attractive candidates for organic photovoltaic applications because of their large conjugated pi system, unique electronic characteristics and high chemical stability. The present research project will focus on rational molecular design and controllable preparation of high-performance photovoltaic materials based on porphyrin and phthalocyanine compounds. Their electronic absorption, charge separation and charge transfer properties are expected to be optimized by fine adjusting the molecular structures with chemical route including substitution, inter-coupling and coordination. Organic heterojunction solar cells will be fabricated and the photovoltaic performance will be measured. The photoelectric conversion mechanism will be studied by experimental observation and theoretical simulation to elucidate the relationship between the structures and the functions.

本课题针对"高效、稳定光电转换材料的理性设计与可控制备"这一基本科学问题，综合考虑光电转换过程中的光吸收、光致电荷分离、电荷传输三个要素，围绕卟啉酞菁类化合物进行功能导向的结构设计与调控，发展性能优异的功能材料体系。通过对卟啉酞菁类分子的取代、偶联、配位等化学调控手段优化材料结构，改善其对太阳光吸收能力以及载流子的生成和传输能力。研究材料的光伏特性和光电转化机理，结合量子化学理论模拟逐步确立分子结构与功能性质之间的关系规律，为实际开发应用提供理论支撑。

自2015年1月项目启动以来，按照研究计划开展工作，针对共轭四吡咯大环类有机半导体分子材料开展了系统研究，综合考虑光电转换过程中的光吸收、光致电荷分离、电荷传输三个要素进行功能导向的结构设计与调控，在功能分子材料的设计制备、电子结构及分子能级调节、光物理性质研究方面取得了系列成果，完成了预定研究目标。取得成果如下：1、功能分子的设计合成：通过共价偶联、金属配位等化学方法，设计制备了一系列新颖的卟啉酞菁类功能分子，包括二萘酚连接的双卟啉体系、酞菁-卟啉混杂二元和三元体系、邻二萘酚“捆绑”的卟啉稀土三明治型配合物，以及D-π-A型三芳胺-卟啉-三聚吲哚三元分子。对其结构及光谱学特性进行了系统表征，研究了组成单元以及连接方式对其功能性质的影响规律，为其在光伏材料方面的应用提供了物质基础。2、分子能级调节：针对卟啉-酞菁稀土三明治型配合物，系统研究了连接基团及配位金属离子对分子空间结构和电子结构的影响。研究发现其分子能级可以通过两种途径进行调节：其一是通过变价金属离子(如CeIII/IV)不同氧化还原状态的参与；其二是通过配体种类及层数的控制。两种途径协同可以对其氧化还原电位及分子能级进行精确调控，以实现与电极基底和掺杂材料的高效能级耦合。3、光物理性能调控：研究发现将卟啉和酞菁两种光电活性单元通过共价或配位偶联构筑混杂分子体系，不但使两种单元的本征吸收光谱互补，而且形成配合物后产生了两种大环共轭体系之间的荷移跃迁，从而可以显著改善分子材料的光吸收性能。.在本项目的支持下共发表SCI收录研究论文14篇；撰写出版专著1章；申请并授权发明专利1项；在第9届国际卟啉酞菁学术会议（ICPP-9，2016年7月，南京）作邀请报告并担任分会主席；作为副主席举办国际学术会议1次，参加国内学术会议2次；培养博士生7名（毕业2名），培养硕士生17名（毕业7名）。