富硫、硒、碲杂环修饰的苝二酰亚胺共轭分子的合成及光电性能研究

In this project, we try to construct new type of organic opto-electric materials bearing high performance using sulfur/selenium/tellurium-rich heterocyclic compounds as donors and perylene diimide(PDI) as acceptors. Including: 1) to systematically explore the new fused methods of sulfur/selenium/tellurium-rich heterocyclic compounds in the bay-region of PDI; 2) to comprehensively understand the effect that chalcogen heteroatom (S, Se, Te) variation and number and alkyl chain branching of organic semiconductors have on self-assemble, optical and physical properties; 3) to construct organic optoelectronic devices, such as field effect transistors and solar cells, and study the effect that device structure and annealing temperature have on opto-electric and charge carrier properties.

本申请拟围绕富硫、硒、碲杂环和苝二酰亚胺设计合成新型有机共轭分子，构筑性能优良的新型有机光电材料。包括：1）探索富硫、硒、碲杂环湾位稠合修饰苝二酰亚胺的合成新方法；2）探索新型功能分子的自组装和光物理性质与杂原子种类及数量、烷基链之间的关系;；3）构筑有机光电器件，探索其在场效应晶体管和太阳能电池中的应用，并研究器件结构、退火温度等对器件迁移率和太阳能转化效率的影响。

由于有机光电材料具有来源广泛、可修饰、质轻、可大面积打印并可制作柔性器件等优点而被广泛应用于有机场效应晶体管、有机太阳能电池、有机发光二极管等领域，并且展现出广阔的应用前景。苝二酰亚胺（PDI）及其衍生物具有非常高的化学稳定性和热稳定性，在可见光区以及近红外区域具有非常强的吸收，另外还具有非常高的荧光量子产率以及长的激发态寿命。因此，它们在有机场效应晶体管、有机发光二极管、有机电致发光、太阳能电池、光收集体系、荧光传感器和光动力治疗等方面显示出非常优越的性质和潜在的应用价值。本申请拟围绕苝二酰亚胺设计合成新型有机共轭分子，构筑性能优良的新型有机光电材料。.本项目中，我们以吡嗪[2,3-g]喹喔啉为核，分别与四个PDI分子的湾位进行共价键合，并在PDI上修饰不同长度的烷基链，得到了2个3-D结构的PDI型的非富勒烯太阳能受体材料（PDIPQ-C5和PDIPQ-C6），探索了新型功能分子的自组装和光物理性质与烷基链之间的关系。以P3TEA为给体材料，以PDIPQ-C5为受体材料的薄膜构筑了太阳能器件，在2.5% DIO为添加剂条件下，其光电转换效率可达5.16%，并研究了退火温度等因素对太阳能转换效率的影响。该工作在构效关系方面的研究结果为太阳能电池非富勒烯受体材料在设计时选取合适的支链结构提供了一定的参考依据。.此外，我们也将该设计思路应用到了非PDI型光电材料中，我们设计合成了D-A型3-D有机小分子给体材料3BTF-TPA和4BTF-DTPA-T。其中，4BTF-DTPA-T为给体材料时，Jsc和FF得到了很大的提高，最高的光电转换效率为3.68%。.上述工作充分说明了围绕PDI衍生物开发合成新型有机共轭分子在有机小分子太阳能电池领域的发展潜力， 3-D结构的设计思路，不管是在设计给体材料还是受体材料时，都具有较好的实用性和指导意义。