南中国科学技术大学材料系郭旭岗课题组在JACS公布封面作品 报纸发表高质量n

高性能有机半导体材料是有机光电器件的核心组成部分,是有机光电器件应用的基础。近期,中国科学院上海有机化学研究所有机功能分子合成与组装化学重点实验室李洪祥课题组在新型高性能有机半导体材料方面取得了系列进展。

近日,我校材料科学与工程系郭旭岗教授课题组在《美国化学会志》(JACS,
影响因子13.858)发表封面文章。论文题目为ladder-Type Bithiophene
Imide-Based All-Acceptor Semiconductors: Synthesis, Structure–Property
Correlations, and Unipolar n-Type Transistor
Performance。该论文在n-型有机半导体材料方向取得新的突破,展示了酰亚胺基有机半导体材料在高性能单极性n-型有机薄膜晶体管器件中的应用。

最近,我校材料科学与工程系副教授郭旭岗课题组在全聚物太阳能电池(all-polymer
solar
cells)受体材料设计方向取得最新研究成果,这项成果在《德国应用化学》(Angewandte
Chemie International Edition)在线发表,题目为Effects of Bithiophene
Imide Fusion on the Device Performance of Organic Thin-Film Transistors
and All-Polymer Solar Cells。

针对目前高性能n-型有机半导体缺乏的现状和面临的挑战,李洪祥课题组在前期噻吩醌式n-型有机半导体研究的基础上(Chem.
Mater.
2011, 23, 1204;Adv. Funct. Mater. 2013,23, 2277; Chem.
Mater.
2014, 26,
5782),在噻吩醌式分子中引入呋喃结构单元,首次合成了呋喃-噻吩醌式n-型有机半导体分子。该化合物显示了高的电子迁移率,其溶液法制备的晶体管器件迁移率高达7.7
cm2/Vs。单晶结构和薄膜XRD结果显示呋喃-噻吩醌式分子在薄膜中呈面对面(face-to-face)的π-π堆积,且π-π堆积的方向与载流子传输方向一致。上述结果表明呋喃-噻吩醌式分子是一类优异的高性能n-型有机半导体(Advanced
Materials
,2016, 28, 5949)。

图片 1n-型有机半导体论文封面

有机太阳能电池是新一代清洁能源中的研究焦点,通常利用富勒烯等小分子作为受体材料。但是富勒烯的化学结构相对固定,其分子能级和光学吸收难以调节,并且稳定性较差。采用聚合物作为受体材料为解决以上问题提供了有效方案,进而有望实现更高的能量转换效率。当前,聚合物受体材料的研发主要集中在基于酰亚胺结构的有机半导体上。酰亚胺具有强拉电子效应并带来溶解性可调等特征,迄今为止高性能n-型聚合物半导体材料都带有酰亚胺基团,其中基于萘酰亚胺和苝酰亚胺受体材料的电池性能在全聚物太阳能电池中处于领先地位。研发具有新颖结构的聚合物受体材料,并建立材料结构-器件性能关联,对于进一步提升全聚物太阳能电池性能具有重要意义。

给-受体共轭聚合物是一类重要的聚合物半导体。优异受体结构单元的缺乏是制约新型高性能给-受体聚合物半导体发展的瓶颈之一。李洪祥课题组在前期高性能噻吩酰亚胺聚合物半导体工作的基础上,设计合成了系列双噻吩酰亚胺聚合物。电化学和吸收光谱显示这些聚合物在有机晶体管和有机太阳能电池方面具有潜在的应用。通过溶液方法构筑的薄膜晶体管测试表明,其薄膜器件呈现高性能的双极性载流子传输特性,其最高电子/空穴迁移率达1.02/
0.33
cm2/Vs。基于ITO/PEDOT:PSS/Polymer:PC71BM/Ca/Al结构的太阳能电池表征显示,双噻吩酰亚胺聚合物电池具有高的开路电压和光电转化效率,其开路电压约为1.0
V,电池的光电转化效率可达6.46
%。上述结果表明双噻吩酰亚胺是一类优异的多功能受体结构单元(Adv. Funct.
Mater
. 2016, DOI: 10.1002/adfm.201604286)。

有机电子器件性能的提升依赖于高性能有机半导体的研发,过去十年,有机p-型半导体材料得到快速发展,器件性能取得大幅度提升,但有机n-型半导体发展严重滞后,材料种类和器件性能远低于p-型材料。n-型有机半导体材料的性能提升依赖于新颖缺电子构建单元的发展。酰亚胺是高性能n-型有机半导体最为重要的构建单元,郭旭岗教授一直从事酰亚胺基有机半导体及其电子器件的研究(Chem.
Rev. 2014, 114,
8943)。在所研究的酰亚胺单体中,其中双噻吩酰亚胺(bithiophene
imide,BTI)是一种极为重要的缺电子构建单元,在前期工作中,郭旭岗课题组对双噻吩酰亚胺进行拓展,合成了一系列具有可调控共轭长度的梯形双噻吩酰亚胺小分子(Angew.
Chem. Int.
Ed.,2017,56,9924);利用双噻吩酰亚胺并环设计构建n-型聚合物受体材料,实现具有高能量转换效率的全聚物太阳能电池(Angew.
Chem. Int. Ed.,
2017,56,15304);并成功合成了新型噻唑酰亚胺缺电子受体单元,
基于其全受体类型均聚物的有机薄膜晶体管表现出优异的单极性n-型性能,在晶体管关电流和开关比性能上显著优于常见给体-受体类型共聚物材料,同时达到较高的电子迁移率(Adv.
Mater.,2018,30, 201705745,back cover)。

在该论文中,郭旭岗课题组设计了两种基于双噻吩酰亚胺的n-型聚合物受体材料。这两种材料在场效应晶体管中都能达到1
cm2V−1s−1
左右的电子迁移率,但是其分子结构的微小变化对太阳能电池性能有巨大影响。研究发现,通过并环的方式将双噻吩酰亚胺结合起来,能够极大的提升聚合物太阳能电池的器件性能,能量转换效率最高可达到6.85%,同时实现较大的开路电压1.04
V,这是萘酰亚胺体系以外的聚合物太阳能电池的最好结果。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院的资助。

图片 2全受体类型均聚物PBTIn化学结构和晶体管迁移率趋势

图片 3图1.
双噻吩酰亚胺受体材料的化学结构;晶体管器件性能和
全聚物太阳能电池器件性能

相关文章