基于烷氧基侧链工程的聚电解质设计及离子异质结半导体纤维

一维离子-电子器件具有尺寸小、集成能力强的独特优势,但在环境温度下的低离子迁移率限制了其在生物集成电子领域的应用能力.本文通过侧链工程在传统咪唑基离子液体中引入烷氧基,并与聚乙二醇甲基丙烯酸酯(poly(ethylene glycol)methacrylate,PEGMA)共聚,合成了低玻璃化转变温度(glass-transition temperature,Tg)的聚阳离子电解质poly(VIM-m-TFSI),在室温下实现了更高的链迁移率,显示出更低的离子阻抗和更宽的电化学窗口(-2.7~+2.7 V).与聚阴离子电解质poly(AMPS-EMIM)简单贴合,构筑了高性能全柔性离子异质结,实现了整流比为127的固态离子二极管.设计合成的两种聚电解质溶液表现出优异的溶液可加工性和流变性能,可直接用作3D打印油墨.最终,通过3D打印技术实现了离子异质结半导体纤维的一体化成型构筑,获得了基于5×5阵列单元的大面积半导体纤维纺织品,初步实现了输入信号的“0-1”整流,验证了离子异质结半导体纤维在织物逻辑电路领域的应用潜力.

侧链的简单调制使近红外吸收的非富勒烯受体实现更高的短路电流密度

为了探究相同共轭骨架中不同位点引入不同侧链对相应小分子非富勒烯受体光电性能的影响,本文通过在中心核茚并二噻吩并[3,2-b]噻吩(IDT)单元和端基(1,1-二氰基亚甲基)绕丹宁单元上同时引入正辛基柔性侧链并以噻吩稠合苯并噻二唑(BTT)单元为“π-桥”而构建了一个新的A-π-D-π-A型非富勒烯受体(JC11).与以往研究得到的两个A-π-D-π-A型非富勒烯受体(A2和JC1)相比,在中心核和端基同时引入适宜长度的正辛基侧链不仅赋予JC11更有利的分子间堆叠,而且使JC11比在中心核引入刚性更强和空间位阻更大的己基取代苯基侧链的A1表现出了更大的吸收红移和更好的结晶度;同时也比在端基仅引入短链乙基侧链的JC1表现出了更好的溶解性能,避免了其与PTB7-Th给体共混时出现过度聚集而导致相分离尺度过大.此外, JC11在给体/受体共混膜中展现了比A2和JC1更高的摩尔消光系数(高达1.14×10~5 L·mol~(-1)·cm~(-1))和更高的电子迁移率(μe=1.01×10~(-3) cm·V~(-1)·s~(-1))以及更平衡的电子/空穴迁移率(μ_e/μ_h=2.72).因此,基于PTB7-Th∶JC11的太阳能电池器件经优化后实现了10.09%的光电转换效率(PCE)和高达24.20 mA/cm~2的短路电流密度(J_(SC)),超过PTB7-Th∶A2和PTB7-Th∶JC1优化器件8.20%和8.16%的PCE以及低于20 mA/cm~2的J_(SC)值.研究结果表明,调节共轭主链侧链是一种简单且有效的调控非富勒烯小分子受体材料的吸收性能和结晶性能的分子设计策略,可大幅提高异质结有机太阳能电池的J_(SC)和PCE.

侧链修饰的新型非稠环电子受体的合成及性能研究

以(4-(2-乙基己基)噻吩-2-基)三甲基锡和二丁基(4-辛基噻吩-2-基)(戊基)锡为原料,通过Stille偶联反应,ilsmeier-Haack反应和Knoevenagel缩合反应合成2种新型非稠环电子受体LC8(直链)和BC8(支链),其结构经过 ^(1)H NMR, ^(13)C NMR和MS表征。通过UV-Vis, CV, J-V 和EQE研究LC8和BC8受体分子的光学性质和光电性能。结果表明:LC8和BC8在氯仿溶液中的吸收相近,在聚集体中,BC8的吸收呈现显著的红移,拓宽了分子的吸收,捕获了更多的光子;BC8受体分子的LUMO能级和HOMO能级提升;PM6 ∶ LC8和PM6 ∶ BC8器件的光电转换效率分别为7.01%和10.92%,在340~860 nm具有相对广泛的光响应,支链侧基的引入使器件性能发生明显提高。

有机小分子场效应晶体管材料侧链工程

在过去的十年间,小分子有机场效应晶体管的迁移率、耐久性以及可加工性都得到了巨大的提升。其中侧链工程技术在小分子有机场效应晶体管材料性能的提升中起着重要作用;例如支化点的远近、侧链的长度、引入氮、氧、硫、氟、氯等杂原子的策略都会对小分子的排列,结晶性,分子结构等产生影响,进而影响小分子的电荷传输以及可加工性;本篇综述对在侧链引入烷基侧链以及杂原子侧链并适用于溶液旋涂法制备器件的小分子进行了归纳总结和详细讨论,我们希望可以为该领域的进一步发展提供一种见解。

非稠环小分子受体材料的研究进展

近年来,具有刚性稠环结构的非富勒烯受体的出现促进有机太阳电池迅速发展,其光电转换效率已经突破了19%.与稠环结构受体相比,非稠环受体因其分子结构相对简单、合成步骤相对较少以及合成相对容易等优点,近年来受到了广泛关注.自2017年以来,非稠环受体材料家族已经扩展到了100个分子以上,光电转换效率也从最初的4%提高到了16%,其研究前景广阔.本综合评述根据这类分子非稠环骨架的结构特征,将其分为完全非稠环和A-D-C_(n)-D-A型非稠环两大类,从非稠环骨架和侧链两个角度来关联分子结构与材料性能及光伏性能之间的构效关系,重点聚焦非稠环骨架结构、分子内非共价相互作用及侧链结构对能级、带隙和器件性能的调控,从开路电压、短路电流和填充因子3个方面对这类材料的未来发展进行了展望.

新型基于二氟苯并噻二唑和双噻吩丙烯腈共轭聚合物的设计、合成及光伏性能

设计并合成了两种基于5,6-二氟苯并噻二唑和双噻吩丙烯腈单元的D-A型共轭聚合物,聚[(5,6-二氟-苯[c][1,2,5]噻二唑-4,7-基)-交替-((E)-2,3-双(3'-(2-辛基十二烷基)-(2,2'-双噻吩)-5,5'-基)丙烯腈)](DFBT812)和聚[(5,6-二氟-苯[c][1,2,5]噻二唑-4,7-基)-交替-((E)-2,3-双(3'-(2-癸基十四烷基)-(2,2'-双噻吩)-5,5'-基)丙烯腈)](DFBT1014)作为聚合物太阳电池的给体材料。通过侧链工程,引入了2-辛基十二烷基和2-癸基十四烷基侧链实现对聚合物的溶解性,结晶性以及共混膜形貌的调节。研究结果表明,共轭聚合物DFBT812与PC_(61)BM的共混膜表现出更好的相分离尺度,能够促进载流子的传输和抽取。基于共轭聚合物DFBT812的太阳电池器件取得了0.87 V的开路电压和6.25%的能量转换效率。除此之外,基于DFBT812的聚合物太阳电池器件在活性层厚度为220 nm时仍然表现出6%的能量转换效率。

聚噻吩的后修饰与光电性质

为了解决Kumada催化剂转移缩聚(Kumada catalyst transfer polycondensation,KCTP)反应构建的聚噻吩材料结构单一、能级较高等问题,通过KCTP法成功实现了含有4个噻吩单元与硫醚侧链单体的聚合,构建了含有硫代烷基侧链的新型聚噻吩材料(PtTSBO),并通过控制氧化剂间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)的用量和反应温度,将侧链上的硫醚选择性地氧化为亚砜或砜基,制备了含有亚砜或砜基的PtTSBO(PtTSOBO或PtTSOOBO)。通过核磁共振氢(1H-NMR)谱、元素分析(EA)、紫外-可见分光(UV-Vis)光谱和电化学(CV)曲线对聚合物的结构、吸光和电学性能进行了表征,并对所制备的光伏器件进行了光电性质研究。结果表明,这种后修饰策略有效地将硫醚官能团转变为强吸电子基团,相比于PtTSBO,聚合物PtTSOBO和PtTSOOBO的能级显著降低,相应光伏器件的开路电压(Voc)得到了提升。

基于非平面稠环苝酰亚胺的全聚合物太阳能电池

将一种具有扭曲结构的稠环苝酰亚胺单元(FPDI-Th)和二氟苯并噻二唑(DFBT)作为单体,并在两者之间插入带有不同烷基侧链的噻吩作为桥接单元,合成了两种新的聚合物受体PPDIBT-Th与PPDIBT-Th-C6,并将其用于全聚合物太阳能电池器件。研究了烷基侧链对聚合物性质和有机太阳能电池(OSCs)器件性能的影响。结果表明:基于这两种聚合物的OSCs器件都展示了优异的光伏性能,烷基侧链的引入不仅会影响分子自身的堆积,还会影响与其共混的聚合物的固态堆积。引入适量的烷基侧链有利于活性层的整体形貌达到较好的平衡状态,提升光伏器件的性能。虽然PPDIBT-Th-C6自身分子间堆积变弱,但是PPDIBT-Th-C6和聚合物给体共混成膜之后,有效保证了给体的固态堆积,最终获得了更大的光电流(12.15 mA/cm^2)与光电转换效率(4.95%)。