基于卟啉的新型近紅外非富勒烯電子受體分子

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) 基于萘酰亞胺-卟啉的星型分子NDI-Por和給體高分子PBDB-T的化學結構。(b) NDI-Por、PBDB-T在溶液和薄膜中的吸收光譜。(c) NDI-Por的循環伏安測試曲線；(d，e) 基于PBDB-T:NDI-Por的太陽電池在AM1.5G光譜下的電流-電壓曲線和外量子效率。(f，g) PBDB-T:NDI-Por共混薄膜的高度圖和相圖

有機太陽能電池因其質輕、柔性和可溶液加工等優點而具有潛在應用前景1。有機太陽能電池的性能主要取決于活性層對光的吸收和轉換過程，因此活性層材料的開發成為研究關鍵。當前活性層主要采用由給體和受體共混的本體異質結結構，其中大量高性能的共軛高分子和小分子給體材料被開發2，而電子受體材料主要為富勒烯衍生物。富勒烯衍生物吸收窄、能級難以調控以及形貌穩定性差等缺點，限制了有機太陽能電池的發展，因此非富勒烯受體材料的開發備受關注并在近幾年成為研究熱點。例如，北京大學占肖衛教授等報道的以稠環骨架為核、茚酮為端基的受體材料ITIC及其衍生物，具有低能級和寬吸收光譜的特點，成為最成功的非富勒烯受體之一3。強吸電子基團苝酰亞胺可以實現與富勒烯相似的能級，但是光譜響應范圍較窄，一般不超過700 nm，限制了這類材料在電子受體中的應用。設計具有近紅外吸收的新型受體分子對提高光伏器件性能具有重要意義。

卟啉作為大π共軛體系，具有強給電子能力，容易實現近紅外吸收光譜。卟啉作為電子給體被成功應用到染料敏化電池和有機太陽能電池中，但是作為電子受體的報道很少。如何設計分子結構，調節卟啉分子的能級、抑制卟啉大共軛基元的聚集以及調控分子的結晶性成為開發高性能卟啉電子受體的難點。2017年初，中國科學院化學研究所李韋偉課題組報道了一種以強給電子卟啉為核、苝酰亞胺為端基的具有近紅外吸收光譜的星型分子 PBI-Por，將其作為受體應用到太陽電池中，實現了寬的光譜響應(300-850 nm)和高的能量轉換效率(7.4%)4。

最近，該課題組將萘酰亞胺作為端基引入到卟啉的meso位上，合成了新型電子受體NDI-Por，該研究工作近期已在物理化學學報上在線發表(doi: 10.3866/PKU.WHXB201709112)5。該分子具有合適的能級以及近紅外的吸收光譜。以NDI-Por為電子受體、PBDB-T為電子給體應用到非富勒烯太陽能電池中，獲得了300-900 nm的寬光譜響應和1.8%的能量轉換效率。活性層形貌研究表明，卟啉分子沒有形成大尺寸結構，說明星型分子可以有效抑制卟啉聚集，有利于電荷生成。

該工作表明，利用卟啉多位點修飾的特點，將四個強吸電子基團通過碳碳三鍵連接到卟吩核上，可以在卟啉分子內實現了近紅外吸收、低能級和高電子遷移率，為新型高性能的非富勒烯電子受體提供新的設計策略。

(2) Lu, L.; Zheng, T.; Wu, Q.; Schneider, A. M.; Zhao, D.; Yu, L. Chem.Rev. 2015, 115, 12666. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00098

(3) Lin, Y.; Wang, J.; Zhang, Z. G.; Bai, H.; Li, Y.; Zhu, D.; Zhan, X. Adv.Mater. 2015, 27, 1170. doi: 10.1002/adma.201404317

(4) Zhang, A.; Li, C.; Yang, F.; Zhang, J.; Wang, Z.; Wei, Z.; Li, W. Angew.Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2694. doi: 10.1002/anie.201610290

(5) Zhou, S.; Feng, G.; Xia, D.; Li, C.; Wu, Y.; Li, W. Acta Phys. -Chim.Sin. 2018, 34, 344. [周士超, 馮貴濤, 夏冬冬, 李誠, 武永剛, 李韋偉. 物理化學學報, 2018, 34, 344.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201709112