有机小分子二聚体和低聚体中单线态激子的分裂

Generation of multiple electrons by one photo excitation seems the most prominent strategy to promote the general photo-electron conversion efficiency of solar cell. Organic materials can achieve the same purpose by singlet fission, one photon excitation produce two triplet excited states. However, efficient singlet fission can only be observed in thin solid crystal films. In order to use SF to improve the solar energy conversion efficiency of dye sensitized solar cell, efficient singlet fission must be achieved in a confined molecular dimer or oligomer. We designed a series of molecular dimers with slipped stacked structure. The theoretical calculation has predicated that this kind of structure should be an ideal model for the efficient SF process. Moreover, oligomers with extra molecules which provide more space for the delocalization of excited singlet or triplet states are designed. The surrounding of the molecules in these oligmers is very similar with that in thin solid crystal films and therefore efficient SF are expected for these oligomers.

提高光电池的光电转化效率的一种有效手段是实现一个光子激发产生多个电子。有机材料可以通过单线态激子的裂变（singlet fission)实现这一目的.但是目前高效率的SF仅仅存在于有机薄膜晶体材料中，而这种薄膜晶体材料不能应用于敏化太阳能电池中。为了实现SF在敏化太阳能电池中的应用，在相对较小的分子二聚体或多聚体中实现高效率的SF是一个必须解决的问题。本课题在理论研究的基础上，提出了在错开的分子面对面二聚体或多聚体中实现高效率SF的研究内容。首先，我们用错开的面对面二聚体作为基本的结构单元，一方面是因为理论上的计算预计在这样的二聚体中SF的速度会很快，另一方面是因为在许多的晶体材料中，分子之间的排列方式是错开的面对面结构。其次我们在错开的面对面二聚体基础上引入另外的分子组成分子的多聚体，给分子的激发态提供额外的扩散空间，进一步接近分子在晶体中的环境。期望在分子的小聚集体中实现高效率的SF。

人们预计单线态裂分可以用于太阳能电池中提高光电转化效率，因此成为人们研究的热点。单线态裂分几乎全部发生在并四苯或并五苯的晶体材料里面，为了研究单线态裂分的机理以及方便的在有机太阳能电池中的应用，人们试图在有机小分子中实现大小年态裂分。但是，早期的工作给出了一个否定的答案，并四苯的二聚体中单线态列分的效率很低，没有使用价值。虽然最近人们在并五苯的二聚体中确实观察到了单线态列分，但是在并四苯的聚集体中的尝试却始终不能成功。从吸收光谱的位置和稳定性的角度来看，和并五苯相比，并四苯更适用于太阳能电池中，因此实现并四苯聚集体中的单线态列分具有重要的意义。为此，我们开展了并四苯的聚集体的研究。.我们合成了一系列的并四苯二聚体和三聚体，通过连接基团的不同，调节聚集体中并四苯单元之间的相对构象，进而达到调节它们之间相互作用强度的目的。我们合成了一系列的面对面二聚体，合成了线性连接的并四苯二聚体和三聚体，合成了一系列的非对称的并四苯二聚体。对于这些化合物在基态的相互作用以及激发衰减动力学进行了初步的研究，并对部分的化合物的超快动力学部分进行了研究。.我们得到的重要的结果包括：（1)以氧杂蒽连接的并四苯的面对面二聚体中，因为比较强的相互作用，单线态的裂分中的第二步反应，也就是单线态的扩散不能发生，因此，不能形成独立的三线态，只能形成两个强耦合的三线态。（2）通过对并四苯三聚体的研究，我们发现三线态的扩散空间对于单线态列分具有重要的意义。为三线态提供一个扩散空间是单线态裂分发生的关键条件。（3）并四苯二聚体或多聚体中，电荷分离态很合可能是一个重要的中间体，人们可以通过调节电荷分离态能级的高低来控制单线态裂分的发生。（4）我们合成的一系列非对称连接的并四苯二聚体证明，非对称体系可能有利于单线态裂分的发生，更重要的是，我们在非对称的并四苯二聚体中发现了激发态的能量传递，这个能量传递过程和单线态列分同时发生，为我们研究能量传递和单线态裂分之间的关系提供了一个理想的分子模型。同时对于我们理解并四苯并五苯混晶体中的单线态裂分提供很好的实验基础。.我们在并四苯三聚体中实现了90% 的三线态量子产率，这是目前在并四苯中报道的最高的单线态裂分效率。更重要的是解释了三线态扩散空间对单线态裂分的关键影响，为设计具有更高效率的单线态裂分分子提供了依据。