骨架非稠合的非富勒烯受體

占肖衛(wèi)

北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系，北京 100871

相對(duì)于富勒烯類電子受體，新型非富勒烯受體具有吸光能力強(qiáng)，能級(jí)和結(jié)構(gòu)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提升有機(jī)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。近年，基于稠環(huán)結(jié)構(gòu)的電子受體(FREAs)受到了國(guó)內(nèi)外研究者們最多的關(guān)注1,2。這一類分子具有良好的骨架平面性，高度離域的電子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)聚集傾向的末端基團(tuán)有利于分子間的π-π堆積和電荷轉(zhuǎn)移。另外，基于FREAs體系的有機(jī)太陽(yáng)電池能量損失也可以低至0.4-0.5 eV3?；谝陨铣憝h(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略，科研人員設(shè)計(jì)并合成了許多稠環(huán)電子受體，所制備的有機(jī)太陽(yáng)電池器件效率突破了 14%4。

然而，我們注意到FREAs骨架通過(guò)化學(xué)鍵聯(lián)稠合，往往需要涉及多步的化學(xué)反應(yīng)，合成成本偏高。并且目前各個(gè)課題組的研究方向更是在分子結(jié)構(gòu)中并入了更多的芳環(huán)或者使用更復(fù)雜的稠環(huán)結(jié)構(gòu)，其合成的難度還會(huì)成倍增大5,6。隨著電池效率的不斷提高，簡(jiǎn)化分子結(jié)構(gòu)，降低合成成本對(duì)實(shí)現(xiàn)有機(jī)太陽(yáng)電池的規(guī)模應(yīng)用具有重要的應(yīng)用價(jià)值。浙江大學(xué)陳紅征教授研究團(tuán)隊(duì)嘗試簡(jiǎn)化FREAs的結(jié)構(gòu)，提出采用非稠合環(huán)核作為構(gòu)筑單元，利用分子內(nèi)氫鍵構(gòu)筑非富勒烯受體，成功制備了效率超過(guò)11%的有機(jī)太陽(yáng)電池7,8，但其化學(xué)結(jié)構(gòu)中仍包含了復(fù)雜的稠環(huán)結(jié)構(gòu)。如何使用巧妙的化學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)避免復(fù)雜的稠環(huán)結(jié)構(gòu)的使用，簡(jiǎn)化合成步驟，并且保留FREAs的優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)一步研究。最近，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的骨架非稠合的電子受體分子(ICTP)，中心骨架僅有一個(gè)苯環(huán)和兩個(gè)噻吩環(huán)；同時(shí)利用該團(tuán)隊(duì)之前掌握的碳?xì)浠罨夹g(shù)9，簡(jiǎn)單高效地合成了目標(biāo)產(chǎn)物，并成功將其應(yīng)用到了有機(jī)太陽(yáng)電池中。

該工作已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201805091)10。該工作設(shè)計(jì)并合成了一種骨架非稠合的電子受體ICTP，利用非共價(jià)作用力保持了分子的平面性，實(shí)現(xiàn)了與FREAs類似的光電性質(zhì)。ICTP結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整個(gè)合成通過(guò)碳?xì)滏I活化直接芳基化偶聯(lián)反應(yīng)，僅需3步就可完成，且每步的反應(yīng)產(chǎn)率均在70%以上。ICTP的吸收光譜和能級(jí)結(jié)構(gòu)特性使得其能夠與許多高效的中等帶隙聚合物給體搭配制備聚合物太陽(yáng)電池。該工作為未來(lái)高性能低成本非富勒烯受體分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和合成提供了新的設(shè)計(jì)思路和重要的參考價(jià)值。