高性能异构纯富勒烯双加成受体材料的定位合成

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• 论文作者：丁黎明 ; 肖作 ; 何旦
• 年：2017
• 作者机构：国家纳米科学中心;
• 论文关键词：富勒烯 ; 异构体 ; 电子迁移率
• 会议召开时间：2017-05-27
• 会议录名称：第四届新型太阳能电池学术研讨会论文集
• 英文会议录名称：Abstract Book of the 4th Conference on New Generation Solar Cells
• 语种：中文
• 分类号：TM914.4
• 学会代码：ZKYQ
• 会议名称：第四届新型太阳能电池学术研讨会
• 会议地点：中国北京
• 主办单位：中国可再生能源学会光化学专业委员会
• 学会名称：中国科学院物理研究所清洁能源实验室
• 页数：1
• 文件大小：813k
• 原文格式：D
• 会议级别：全国

摘要

富勒烯衍生物作为优良的电子受体材料在有机太阳电池中得到广泛应用。近年来,富勒烯多加成受体材料由于其较高LUMO能级使得太阳电池获得高开路电压而受到极大关注【1】。然而,随着加成数目增多,富勒烯受体材料电子迁移率往往显著下降,限制了短路电流和填充因子的提高。最新理论研究表明,导致富勒烯多加成受体材料电子迁移率下降的因素有两方面:1.加成基团的位阻干扰富勒烯紧密堆积,影响电子传递,随着加成数目增加,这种影响会更大,此因素称之为"堆积无序"(packing disorder);2.由于多加成富勒烯通常为众多异构体组成的混合物(双加成8种,三加成45种位置异构体),异构体之间因能级差异(LUMO能级差别可达数百毫电子伏特)而产生"能量无序"(energetic disorder),导致电子传递过程的陷阱态密度增加,降低电子迁移率。研究发现后者是导致富勒烯多加成受体材料电子迁移率下降的主要原因【2】。目前,无论是通过色谱分离还是定位合成方法获得异构纯多加成富勒烯都有较大的难度。我们近期发展了一种"预加成定位"的合成方法,可同时实现异构纯同双加成(homo-bisadducts,两个加成基团相同)或异双加成(hetero-bisadducts,两个加成基团不同)衍生物的制备。首先,利用C_(60)与熔融的蒽可以选择生成具有trans1构型的双加成物trans1-AC_(60)BA这一特性,让两个蒽预先占住C_(60)上对位的两个双键,接下来继续对trans1-AC_(60)BA进行加成时,反应就能表现出良好的选择性,如Bingel反应、Diels-Alder反应等,都会针对富勒烯赤道上的双键进行加成,而不会对其他双键加成,我们可以将反应控制在相互正交的双加成这一步,接下来,通过加热可以定量的除去预先加成的两个蒽分子,得到不含异构体的,具有e构型的富勒烯双加成衍生物。通过这一策略,我们设计合成了含有一个小位阻亚甲基的异双加成衍生物e-PPMF,同时在位阻和异构体两方面大幅减少了负面影响,e-PPMF在有机太阳电池上表现出双加成受体材料前所未有的优良性能,不仅在P3HT电池上超越了PC_(61)BM,在窄带隙高分子电池上也实现了更高效率,其中基于e-PPMF与窄带系给体PPDT2FBT的电池能量转换效率达8.11%,是目前所有报道的富勒烯双加成受体材料电池的最高值【3】。

引文

[1]Y.Li,Chem.-Asian J.,2013,8,2316.
    [2]F.Steiner,S.Foster,A.Losquin,J.Labram,T.D.Anthopoulos,J.M.Frost,J.Nelson,Mater.Horiz.,2015,2,113.
    [3]Z.Xiao,X.Geng,D.He,X.Jia,L.Ding,Energy Environ.Sci.,2016,9,2114.