[發(fā)明專利]具有反芳香性、醌式結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)激子裂分材料的合成方法、薄膜制備方法及單晶制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010323848.3
• 申請(qǐng)日: 2020-04-22
• 公開（公告）號(hào): CN113135919B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付紅兵;謝少華;吳義室;廖清;王龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 首都師范大學(xué)
• 主分類號(hào): C07D487/04
• 分類號(hào): C07D487/04;C30B29/54;C30B7/06
• 代理公司: 北京冠榆知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11666
• 代理人: 王道川

本發(fā)明公開一種具有反芳香性、醌式結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)激子裂分材料的合成方法以及薄膜、單晶的制備方法。該分子內(nèi)激子裂分材料的合成方法，包括以下幾個(gè)步驟：合成以苯并吡咯并吡咯二酮(BDPP)為分子骨架，在酰胺鍵氮原子上引入不同烷基鏈取代基的分子。該骨架具有較強(qiáng)的藍(lán)綠光吸收、優(yōu)良的空氣與光穩(wěn)定性、合適的三線態(tài)能量。本發(fā)明闡述了此類分子溶液及薄膜光譜的表征手段。利用這種分子內(nèi)激子裂分材料具有超快尺度的激子裂分速率及較高的三線態(tài)激子產(chǎn)率，在很大程度上為新型有機(jī)光伏器件的應(yīng)用提供了可能。BDPP分子中的分子內(nèi)激子裂分(iSF)過(guò)程幾乎不依賴于分子間取向和電子耦合，有很大的潛力集成到基于SF的有機(jī)光伏器件中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及有某種特殊光電性能材料制備技術(shù)領(lǐng)域。具體地說(shuō)，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一種具有反芳香性、醌式結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)激子裂分材料,該類分子具有超快尺度的激子裂分速率及較高的三線態(tài)激子產(chǎn)率，且不依賴于分子間取向和電子耦合，有很大的潛力集成到基于SF的有機(jī)光伏器件中。

背景技術(shù)

單線態(tài)激子裂分是一個(gè)單線態(tài)激子自旋允許的生成多重度發(fā)生改變的兩個(gè)三線態(tài)激子的過(guò)程。在有機(jī)材料中，單線態(tài)裂分是指當(dāng)單線態(tài)激子的能量大于兩倍的三線態(tài)激子的能量時(shí)，光激發(fā)產(chǎn)生的一個(gè)單線態(tài)激子會(huì)在超快的尺度轉(zhuǎn)化為兩個(gè)三線態(tài)激子的過(guò)程。它不同于單線態(tài)三線態(tài)之間的系間竄越過(guò)程，因?yàn)楹笳咝枰孕D(zhuǎn)，因此產(chǎn)生的速度也較為緩慢，而單線態(tài)激子裂分過(guò)程滿足自旋守恒的條件，其超快的轉(zhuǎn)化速率及較高的三線態(tài)激子產(chǎn)率可望突破肖克利-奎伊瑟極限，使光電轉(zhuǎn)換效率的理論效率由30％提高到44.4％。激子裂分的概念最初由Schneider等提出，用于解釋蒽單晶獨(dú)特的延遲熒光現(xiàn)象。目前發(fā)現(xiàn)的具有激子裂分性質(zhì)的材料包括并四苯、并五苯等并苯類化合物、聚噻吩、類胡蘿卜素聚合物、苝酰亞胺、共價(jià)鍵連接的二聚體、1,3-二苯基異苯并呋喃等，目前發(fā)現(xiàn)的激子裂分材料大多是分子間激子裂分材料，其性能對(duì)發(fā)色團(tuán)的晶體堆積和活性層的形態(tài)高度敏感，限制了其進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)家致力于設(shè)計(jì)分子內(nèi)激子裂分材料以及高聚物來(lái)有效克服這一弊端。

通過(guò)單線態(tài)激子裂分，有機(jī)分子吸收一個(gè)光子理論上最多能轉(zhuǎn)化為兩個(gè)激子，但這只是完成光電轉(zhuǎn)換的第一步，將SF材料構(gòu)筑成光伏器件使激子解離為自由電荷，可以實(shí)現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)化。近幾年，科研人員經(jīng)過(guò)一系列探索，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了并四苯、并五苯與富勒烯、苝酰亞胺、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)等不同受體材料復(fù)合制成的光伏器件上三線態(tài)激子的有效解離。在并五苯與C₆₀光伏器件中已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)外量子效率高達(dá)126％，內(nèi)量子效率接近200％。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及有某種特殊光電性能材料制備技術(shù)領(lǐng)域。具體地說(shuō)，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一類分子內(nèi)激子裂分材料的合成、薄膜的制備、單晶生長(zhǎng)及其性能的表征。本發(fā)明的目的是合成一種具有較高的三線態(tài)激子產(chǎn)率的分子內(nèi)激子裂分材料。其中，包括該材料的合成、薄膜的制備、單晶的生長(zhǎng)以及性能的表征等。

本發(fā)明公開一系列具有分子內(nèi)激子裂分性質(zhì)材料的合成以及其薄膜的制備和單晶的生長(zhǎng)的方法以及其性能表征。

(1)一種具有分子內(nèi)激子裂分性質(zhì)的材料的合成方法，包括以下步驟：

合成以苯并吡咯并吡咯二酮(BDPP)為分子骨架，在酰胺鍵氮原子上引入不同烷基鏈取代基的分子。以1,5-二己基-3,7-二苯基吡咯并吡咯-2,6-二酮(命名為BDPP-C6)為例進(jìn)行說(shuō)明。

其中，有機(jī)分子中一個(gè)單線態(tài)激子與自身的基態(tài)發(fā)色團(tuán)相互作用形成兩個(gè)三線態(tài)激子。

(2)一種分子內(nèi)激子裂分性質(zhì)的材料的薄膜制備方法，包括合成上述的分子以及用真空氣相沉積法制備所述分子的薄膜。

例如，制備BDPP-C6分子薄膜，用真空氣相沉積法制備BDPP-C6分子的薄膜。

(3)一種分子內(nèi)激子裂分材料的單晶制備方法，包括合成上述的分子：取少量分子溶于少量良溶劑中使其放置在不良溶劑的飽和蒸汽中，靜置。

例如，制備BDPP-C6分子單晶：