靛红并苊醌二甲酰亚胺类电子传输材料的合成与光电性能

• 作 者: 谭丹
• 出 处: 湘潭大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 靛红 苊醌二甲酰亚胺 有机电子传输材料 有机太阳能电池 有机场效应晶体管

有机电子传输半导体材料是构造n-型有机场效应晶体管（OFETs）、非富勒烯太阳能电池（OSCs）和柔性有机互补电路等光电子器件的关键功能材料,近年来其发展备受关注。强吸电子能力的电子受体模块是设计高性能有机电子传输材料的核心,受体单元的化学与物理性质很大程度上决定着最终有机电子传输材料的综合性能。本文开发了一类结构新颖、强缺电特性的异靛青衍生物受体单元及其A-D-A型和A-A型有机电子传输材料,并探讨了该类材料结构与光电性质之间的关系,具体内容如下:1)本章节将靛红和氮杂靛红衍生物单元分别与苊醌二甲酰亚胺进行Knoevenagel缩合,开发了两个结构新颖、强缺电特性的异靛青衍生物受体单元,包括靛红并苊醌二甲酰亚胺单元（IDG）和氮杂靛红并苊醌二甲酰亚胺单元（NIDG）。相比经典的异靛蓝受体,所得IDG和NIDG拥有更低的LUMO能级（ca.–4.0 e V）和更大的骨架共轭。此外,我们通过单晶解析证实了NIDG分子的结构。在NIDG晶体结构中,双键π桥附近的两个羰基（C=O）反向排布,并且NIDG晶体结构展现出较小的二面扭转角（1.38°）,表明NIDG分子具有良好的平面性和骨架共轭结构。基于这两个受体构建单元,我们进一步开发了两个含引达省并二噻吩（IDT）电子给体的A-D-A型的非富勒烯电子受体材料（M1和M2）,并对比研究了吡啶氮原子对所得材料的骨架结构、吸收光谱、能级结构以及光伏性能的影响。研究发现:1)相比M1受体材料,吡啶氮原子的引入加强了M2的骨架共平面性,获得极小的扭转二面二面角（0.24°）;2)M1和M2均具有宽的光谱响应范围和低的LUMO能级值。基于商业购买的PBDB-T为给体材料,M1（或M2）为电子受体材料,我们构建含PBDB-T/M1（或M2）共混薄膜的非富勒烯太阳能电池器件,其器件最高光电转换效率分别达5.21%和6.87%。2)本章节运用“双受体策略”,进一步设计并合成了两个含IDG和NIDG受体单元的A-A型二联体共轭分子（DIDG和DNIDG）,并对比研究了吡啶氮原子对共轭分子的骨架结构、吸收光谱、能级结构以及载流子迁移率的影响。研究发现:1)相比IDG和NIDG,二联体化合物DIDG和DNIDG不仅拥有更大的骨架共轭和更好的分子对称性,而且在整个紫外-可见光区的展现出强的光捕获能力;2)相比IDG和DNIDG,吡啶氮原子的引入增强了NIDG和DNIDG的骨架共平面性以及电子亲和力,因而有效地降低了NIDG和DNIDG的HOMO和LUMO能级值。基于DIDG和DNIDG薄膜,我们进一步制备了n-型有机场效应晶体管器件,其电子迁移率分别达1.64×10^–3和2.52×10^–3 cm² V^-1 s^-1。