苯并二噁嗪、二噻嗪分子衍生物的合成及在太阳能电池的应用

The research will focus on the design and synthesis of novel benzodioxazine and benzodithiazine derivatives, and the development of synthetic methodology. They can be regarded as novel skeletons for conjugated polymers. The electronic structure, spectral and electrochemical characteristics of these new molecular skeleton, as well as the influence of the external conditions on variation of the self-assembly behaviors and electronic state will be investigated. In addition, the project will make use of the properties of easy chemical modification of benzodioxazine and benzodithiazine derivatives, the good n-type transporting ability, excellent environmental stability, and easy adjustment of the characteristics of the absorption spectrum to prepare the narrow bandgap polymers with the broad absorption, high mobility and high stability. Organic thin-film solar cell performance of polymers, as well as the structure-performance relationship of the materials will be investigated. The study of the relationship between molecular structure and device properties, will further promote the development of benzodioxazine and benzodithiazine derivatives on organic optoelectronic materials.

本申请项目将设计、合成新型的苯并二噁嗪、二噻嗪衍生物分子,发展合成方法学，实现分子结构的拓展，使其成为构建聚合物的新型骨架。并在此基础上研究这些新型分子骨架的电子结构、光谱和电化学特性,以及研究外界条件影响下,其结构,电子状态等变化规律；另一方面项目将利用苯并二噁嗪、二噻嗪衍生物分子片段化学修饰性、良好的载流子传输性能、优异的环境稳定性、以及容易调节吸收光谱的特性，制备宽吸收、高迁移率、高稳定性的窄带隙聚合物。研究这些聚合物的凝聚态下有机薄膜太阳能电池性能、以及结构与器件性能的关系。通过结构与性能的关系的研究进一步促进苯并二噁嗪、二噻嗪共轭体系的发展, 从而发展和筛选新型的有机光电材料，为今后该分子体系在光电领域的研究提供参考。

课题主要在苯并二噁嗪、噻吩并二噁嗪分子的合成与表征以及光伏性能研究上开展工作。我们首次运用无羟基的富电子的胺基噻吩通过碘或醋酸碘苯(PhI(OAc)2)来氧化闭环获得噻吩并二噁嗪分子，解决我们在硝基取代的噻吩环上同时引入羟基与硝基的合成难题，拓宽噻吩并二噁嗪分子的合成方法。我们将工作中合成的噻吩并二噁嗪有机半导体分子作为给体材料进行了太阳能电池器件的性能表征，并获得了最高能量转化效率为 1.53%的器件结果。在此基础上，我们设计合 成了两类不同骨架的 6个酰亚胺类 n 型有机半导体分子。 我们设计的荧蒽并酰亚胺骨架具有极强的可修饰性，我们可对其进行了多位点的衍生化，引入不同个数和种类的吸电子基团，得到了 LUMO能级在-3.80 eV 左右的有机半导体分子。研究表明，酰亚胺基团 的引入，使荧蒽由 p 型半导体性转变为 n 型半导体性。