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青岛能源所在超宽带隙共轭聚合物研究中取得系列进展
2017-11-06   青岛生物能源与过程研究所 【
  有机半导体材料主要应用于有机场效应晶体管(OFET),本体异质节太阳能电池(BHJ-OPV),有机电致发光材料(OLED)以及传感器等,其结构便于设计,性能易于调控,以及可用于制备柔性电子器件等独特优势,吸引了科学界的广泛关注,是未来国家材料以及能源发展的重要方向之一。含有内酰胺官能团的异靛蓝分子(isoindigo)是有机半导体材料的重要受体结构单元,已在OFETOPV上表现出较为优异的性能。对其结构的改造和构效关系的研究对发展新型高效的共轭聚合物有着重要的意义。  

  近来,青岛能源所的万晓波研究员带领其团队在对异靛蓝分子的结构改造研究中,利用异构化的反应,创造性地将其转化为一种全新的共轭结构—二苯并萘啶二酮(DBND)。经研究发现该分子与异靛蓝相比,具有更好的分子平面性和结晶性,且带隙更宽,适合于构筑超宽带隙(带隙在2.2eV以上)的共轭聚合物。该团队与阳仁强研究员团队合作,测定了基于此分子的共聚物的太阳能电池效率,研究结果表明,尽管带隙高达2.23eV, 仅对短波长日光有吸收(400-550 nm),而基于此分子的共聚物的有机太阳能器件的光电转化效率却高达6.32%,是当时报道的光学带隙超过2.2eV共轭聚合物光电转换效率的纪录值(Chem. Mater., 2016, 28, 6196-6206)。

  在研究氟原子取代对该材料光伏性能的影响时,该团队发现氟原子在主链取代位置的改变对基于DBND的共轭聚合物的光电转换效率带来了截然相反的影响,这是以往关于氟取代影响的研究中未见报道的。尽管两种氟取代的聚合物都具有相似的能级、带隙和平面性,邻位氟取代导致相应聚合物的光电性能相比于未取代的聚合物大大降低(从5.75%降低至1.44%),而对位氟取代导致相应聚合物的光电性能却有所提高(从5.75%提高至6.55%)。万晓波研究员与兰峥岗研究员团队合作,通过理论分析,对该现象进行了深入的分析,发现氟原子取代位置的不同导致了聚合物偶极距的变化,进而导致了分子间相互作用强度的不同,最终形成了光电材料活性层相分离结构的差异。相关工作发表在Chem. Mater., 2017DOI:10.1021/acs.chemmater.7b03025

  在对基于DBND的共轭聚合物的构效关系的研究中,该研究团队还发现DBND结构单元中酰胺基团烷基化方式的不同对材料场效应晶体管性能有着显著的影响。研究表明,氮烷基化的聚合物比氧烷基化的聚合物的载流子迁移率高出近100倍,这是由于氮烷基化的聚合物具有更强的极性和分子间作用力的缘故。相关工作发表于Macromolecules, 2017DOI: 10.1021/acs.macromol.7b01575

  这一系列研究加深了对DBND这种新型受体单元性质的理解,有助于发展性能更为优秀的受体单元材料。

  相关工作得到了国家自然科学基金面上项目的支持。(文/万晓波 图/蔡勉)

 
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