化學(xué)所新型近紅外pi-分子材料設(shè)計(jì)及應(yīng)用獲進(jìn)展

　　新型有機(jī)pi-分子材料的設(shè)計(jì)及其在有機(jī)場效應(yīng)晶體管和有機(jī)太陽能電池中的應(yīng)用是有機(jī)電子學(xué)的重要研究內(nèi)容。近紅外pi-分子材料具有寬吸收光譜和低能量帶隙的特點(diǎn)，在光電器件中具有獨(dú)特的性能。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性B類先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持下，中科院化學(xué)研究所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李韋偉課題組研究人員發(fā)展了一系列的近紅外pi-分子材料，并應(yīng)用到高性能的有機(jī)場效應(yīng)晶體管和有機(jī)太陽能電池中。 

　　近紅外pi-分子材料的低能量帶隙有利于制備雙極性傳輸?shù)挠袡C(jī)場效應(yīng)晶體管。針對這一優(yōu)點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)了一類以強(qiáng)吸電子的吡咯并吡咯二酮（DPP）為基元的共軛聚合物，通過精細(xì)調(diào)控共聚單元的吸電子能力來優(yōu)化聚合物的能級(jí)，成功得到了具有雙極性傳輸?shù)谋∧鲂?yīng)晶體管（空穴與電子遷移率分別為0.14cm2 V-1 s-1和0.11cm2 V-1 s-1）。進(jìn)一步利用材料優(yōu)異的結(jié)晶性能，研究人員通過原位溶劑揮發(fā)的方法制備共軛聚合物納米線，并搭建納米線場效應(yīng)晶體管，將空穴與電子遷移率提高到5.47cm2 V-1 s-1和5.33cm2 V-1 s-1，為當(dāng)前最高的雙極性遷移率之一。該研究發(fā)表在《先進(jìn)材料》上，并以封面形式報(bào)道（Adv. Mater. 2015, 27, 4963.）。在此基礎(chǔ)上，研究人員針對共軛聚合物的結(jié)晶性與遷移率的復(fù)雜關(guān)系，提出非對稱共軛聚合物的設(shè)計(jì)策略，在DPP單元的兩側(cè)引入結(jié)構(gòu)相似的兩種芳香基團(tuán)。研究發(fā)現(xiàn)，非對稱結(jié)構(gòu)可以極大改善共軛聚合物的溶解性，同時(shí)保持優(yōu)異的結(jié)晶性能。以非鹵素為溶劑對聚合物進(jìn)行溶液加工，制備有機(jī)場效應(yīng)晶體管，實(shí)現(xiàn)了12.5cm2 V-1 s-1的空穴遷移率（Adv. Mater. 2016, 28, 943.; Macromolecules 2016, 49, 6431.）。 

　　圖1 近紅外共軛高分子在高性能有機(jī)場效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用 

　　近紅外pi-分子材料的低能量帶隙在有機(jī)太陽能電池中也具有獨(dú)特的性能。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，有機(jī)太陽能電池能量損失大于0.6 eV才能進(jìn)行有效的電荷分離，這極大地限制了能量轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提高。研究人員以DPP類共軛聚合物為研究對象，通過引入吸電子的噻唑基元來調(diào)控聚合物的能級(jí)，使得給體與富勒烯受體的LUMO能級(jí)接近?；谶@類材料的有機(jī)太陽能電池首次實(shí)現(xiàn)了低于0.60 eV的能量損失，并且證實(shí)在低能量損失下電荷依然能進(jìn)行有效分離，為有機(jī)太陽能電池的性能突破提供了新的途徑（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2231.）。這項(xiàng)研究結(jié)果被JACS以spotlight的形式報(bào)道（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2787.）。 

　　近期，研究人員在開發(fā)新型近紅外pi-分子并作為電子受體應(yīng)用于非富勒烯太陽能電池中取得新的進(jìn)展。研究人員以具有強(qiáng)給電子基團(tuán)和大pi-單元結(jié)構(gòu)的卟啉為對象，利用卟啉多修飾位點(diǎn)的優(yōu)勢，將強(qiáng)吸電子的苝酰亞胺基元引入到卟啉的meso-位，成功合成出具有近紅外吸收和高電子遷移率的星型卟啉分子。該分子作為電子受體應(yīng)用到非富勒烯太陽能電池中，實(shí)現(xiàn)了300–850nm的寬光譜響應(yīng)和7.4%的能量轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)論文以Very Important Paper和封面形式發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2694–2698上。 

　　圖2 卟啉類電子受體在非富勒烯太陽能電池中的應(yīng)用