化學所新型近紅外pi分子材料設計及應用獲進展

　　新型有機pi-分子材料的設計及其在有機場效應晶體管和有機太陽能電池中的應用是有機電子學的重要研究內容。近紅外pi-分子材料具有寬吸收光譜和低能量帶隙的特點，在光電器件中具有獨特的性能。在中國科學院戰略性B類先導科技專項支持下，中科院化學研究所有機固體院重點實驗室研究員李韋偉課題組研究人員發展了一系列的近紅外pi-分子材料，并應用到高性能的有機場效應晶體管和有機太陽能電池中。

　　近紅外pi-分子材料的低能量帶隙有利于制備雙極性傳輸的有機場效應晶體管。針對這一優點，研究人員設計了一類以強吸電子的吡咯并吡咯二酮（DPP）為基元的共軛聚合物，通過精細調控共聚單元的吸電子能力來優化聚合物的能級，成功得到了具有雙極性傳輸的薄膜場效應晶體管（空穴與電子遷移率分別為0.14cm2 V-1 s-1和0.11cm2 V-1 s-1）。進一步利用材料優異的結晶性能，研究人員通過原位溶劑揮發的方法制備共軛聚合物納米線，并搭建納米線場效應晶體管，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，為當前最高的雙極性遷移率之一。該研究發表在《先進材料》上，并以封面形式報道（Adv. Mater. 2015, 27, 4963.）。在此基礎上，研究人員針對共軛聚合物的結晶性與遷移率的復雜關系，提出非對稱共軛聚合物的設計策略，在DPP單元的兩側引入結構相似的兩種芳香基團。研究發現，非對稱結構可以極大改善共軛聚合物的溶解性，同時保持優異的結晶性能。以非鹵素為溶劑對聚合物進行溶液加工，制備有機場效應晶體管，實現了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場效應晶體管中的應用

　　近紅外pi-分子材料的低能量帶隙在有機太陽能電池中也具有獨特的性能。傳統觀念認為，有機太陽能電池能量損失大于0.6 eV才能進行有效的電荷分離，這極大地限制了能量轉換效率的進一步提高。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控聚合物的能級，使得給體與富勒烯受體的LUMO能級接近。基于這類材料的有機太陽能電池首次實現了低于0.60 eV的能量損失，并且證實在低能量損失下電荷依然能進行有效分離，為有機太陽能電池的性能突破提供了新的途徑（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2231.）。這項研究結果被JACS以spotlight的形式報道（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2787.）。

　　近期，研究人員在開發新型近紅外pi-分子并作為電子受體應用于非富勒烯太陽能電池中取得新的進展。研究人員以具有強給電子基團和大pi-單元結構的卟啉為對象，利用卟啉多修飾位點的優勢，將強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用到非富勒烯太陽能電池中，實現了300–850nm的寬光譜響應和7.4%的能量轉換效率。相關論文以Very Important Paper和封面形式發表在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用