Angew. Chem. :具有高电导率和优异稳定性的n型自掺杂醌式化合物

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n型导电分子在柔性和印刷有机电子领域具有很好的应用前景。共轭分子的电导率通常比较低,需要引入掺杂剂提高电导率,然而,掺杂剂的引入会影响分子的排列以及降低分子的稳定性。通过自掺杂方法合成n型导电分子是解决这些问题的一种有效策略。将自由基引入到分子骨架或侧链可以合成自掺杂分子,但是,自由基的引入同样会导致分子的稳定性变差。在闭壳的缺电子芳香单元上引入富电子的胺基是合成自掺杂分子的另一方法,然而由于掺杂效率较低,这类分子的电导率不高,通常小于10-4 S cm-1。因此,合成具有高电导率和良好空气稳定性,同时具备优异器件性能的自掺杂n型分子具有挑战性。


近日,天津大学的邓云峰教授将胺基引入到醌式骨架上,设计合成了三个自掺杂分子(命名为QnNs,其中n是氨基烷基链中亚甲基的数量)。醌式分子低的LUMO能级可以提高自掺杂效率,从而获得高的电导率,QnNs最高电导率可以达到0.037 S cm-1。而闭壳的醌式结构可以赋予自掺杂分子好的稳定性,在空气中放置120天后,分子的电导率仍然可以达到0.019 S cm-1。将自掺杂分子作为阴极界面层用于太阳能电池器件,可获得18.2%的能量转换效率。



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采用UV-vis-NIR和EPR对此类分子的自掺杂机理进行了分析。当溶度在1.0×10-6至1.0×10-4 mol L-1之间时,UV-vis-NIR谱图中没有观察到明显的由掺杂引起的吸收峰,而当浓度增加至1.0×10-3 mol L-1时,在~960 nm处出现了极化子的吸收峰,进一步增加浓度至1.0×10-2 mol L-1时,该吸收峰的强度显著增加。在EPR测试中同样可以观察到相似的趋势:EPR的积分强度随着溶液浓度的增加呈指数增加。这些结果表明,分子的掺杂是通过氨基向相邻醌式骨架的分子间电荷转移产生的。为了进一步验证这一机理,我们基于单晶结果对分子进行了理论计算。计算结果表明,胺基与醌式分子骨架的分子内距离远大于分子间的距离。此外,在分子间,胺基与分子骨架之间有着明显的波函数重叠,而分子内则没有明显的重叠。

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以QnNs为阴极界面层制备了太阳能电池器件,器件的结构为ITO/PEDOT:PSS/PBDB-TF:BTP-eC9/QnNs/Al。其中,基于Q6N制备的器件具有高达18.2%的能量转换效率,且当界面层厚度达到45 nm时,器件仍保持15%的能量转换效率。采用刮涂工艺制备1-cm的大面积器件,器件的能量效率为15.2%,而同样条件下基于PFN-Br的器件的能量效率仅为12.2%。

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该工作不但为这类分子的自掺杂机理提供了新见解,而且为发展高性能自掺杂n型导电分子提供了新策略。

文信息

Self-Doped n-Type Quinoidal Compounds with Good Air Stability and High Electrical Conductivity for Organic Electronics

Cheng Wang, Yi Yang, Linlin Lin, Prof. Bowei Xu, Prof. Jianhui Hou, Prof. Yunfeng Deng, Prof. Yanhou Geng

文章的第一作者是天津大学博士生王成


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202307856




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