フラーレンカチオンを利用した炭素五員環フラーレン誘導体の開発と太陽電池の応用

利用富勒烯阳离子开发碳五元富勒烯衍生物及其在太阳能电池中的应用

• 批准号: 20J13124
• 负责人: LIN HAOSHENG
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J13124/
• 关键词: フラーレン誘導体; ペロブスカイト太陽電池; フラーレンカチオン化学

今年度DC２の期間の中、五員環フラーレン誘導体の合理的合成法を確立し、様々な五員環フラーレン誘導体の合成を行った。それと同時にペロブスカイト太陽電池への応用も行った。五員環フラーレン誘導体の反応基質（電気陰性度、立体障害、アミノ基の導入）などを検討することによって、分子内環化反応のメカニズムを更に深く系統的に研究した。前で合成法を確立した五員環フラーレン誘導体を用い、それをペロブスカイト太陽電池の電子輸送層に用いたデバイスを作製した。研究者自身が合成からデバイス作製を行うことができるため、デバイス検討の結果から即座に必要とされる誘導体の適合を抽出することができた。例えば、溶解性向上のために非極性構造ユニットを増やす、相互作用する官能基を導入するなど容易に行うことができた。また、違う大きさの環状フラーレン誘導体のエネルギー変換効率を比較し、そのメカニズムを研究した。得られたフラーレン誘導体を用い条件の最適化を行い、安定で高効率なペロブスカイト太陽電池を作った。最後、この研究はChem. Mater.に掲載され、カバーアートに選ばれました。DC段階の研究のおかげで、PD研究段階では、研究者はフラーレンの五員環状誘導体のメトキシ基の安定性を研究し、このタイプのメトキシ基がCuBr2の作用下で直接酸化できることを発見しました対応するフラーレン誘導体を生成した。研究者は反応速度論を理解して、反応中間体を確認した。理論計算による反応熱力学研究も行い反応中間体や遷移状態のエネルギー指標を確定した。そして、反応機構の研究ができたら電気陰性度と立体的に異なる官能基をベンゼン環に導入して異なる種類のフラーレン全炭素五員環ケトン類誘導体の合成を実現した。合成した化合物の蒸着膜を、ペロブスカイト太陽電池のフラーレン電子輸送層に利用した。それから、その太陽電池の性能を評価した。

今年DC2期间，我们建立了五元富勒烯衍生物的合理合成方法，合成了各种五元富勒烯衍生物。同时，我们还将其应用到钙钛矿太阳能电池中。通过考察五元​​富勒烯衍生物的反应底物（电负性、位阻、氨基的引入），我们更深入、系统地研究了分子内环化反应的机理。利用先前建立的合成方法的五元环富勒烯衍生物，我们制造了一种将其用于钙钛矿太阳能电池的电子传输层的器件。由于研究人员自己能够进行合成和器件制造，因此他们能够立即从器件研究结果中提取必要的衍生适用性。例如，可以轻松增加非极性结构单元的数量或引入相互作用的官能团以提高溶解度。我们还比较了不同尺寸的环状富勒烯衍生物的能量转换效率并研究了其机理。利用获得的富勒烯衍生物，我们优化了条件并创建了稳定且高效的钙钛矿太阳能电池。最后，这项研究发表在《Chem》上，并被选为封面艺术。得益于DC阶段的研究，在PD研究阶段，研究人员研究了富勒烯五元环衍生物中甲氧基的稳定性，发现这类甲氧基在CuBr2的作用下可以直接被氧化。制备了相应的富勒烯衍生物。研究人员了解反应动力学并确定了反应中间体。我们还利用理论计算进行了反应热力学研究，并建立了反应中间体和过渡态的能量指标。研究反应机理后，他们在苯环中引入了不同电负性和空间性质的官能团，合成了不同类型的富勒烯全碳五元酮衍生物。将合成的化合物的气相沉积膜用作钙钛矿太阳能电池中的富勒烯电子传输层。然后，评价太阳能电池的性能。

项目成果

One-Step Direct Oxidation of Alkoxy to Ketone for Evaporable Fullerene-Fused Ketone as Efficient Electron-Transport Materials

• DOI: 10.21203/rs.3.rs-131562/v1
• 发表时间: 2021-01
• 作者: Hao-Sheng Lin;Yue Ma;R. Xiang;Sergei Manzhos;Il Jeon;S. Maruyama;Y. Matsuo

MoS2-carbon nanotube heterostructure as efficient hole transporters and conductors in perovskite solar cells

• DOI: 10.35848/1882-0786/ab9efa
• 发表时间: 2020-07
• 期刊: Applied Physics Express
• 影响因子: 2.3
• 作者: Y. Qian;Seungju Seo;Il Jeon;Hao-Sheng Lin;Shuhei Okawa;Yongjia Zheng;A. Shawky;A. Anisimov;E. Kauppinen;J. Kong;R. Xiang;Y. Matsuo;S. Maruyama

Polyaromatic anthracene nano-tweezer on semiconducting carbon nanotubes for growth and bridging of perovskite crystal grains in solar cells

半导体碳纳米管上的聚芳香蒽纳米镊子用于太阳能电池中钙钛矿晶粒的生长和桥接

• 发表时间: 2020
• 作者: Yuri Sakamoto;Takashi Ikuta;and Kenzo Maehashi;Hao-Sheng Lin
• 通讯作者: Hao-Sheng Lin

Polyaromatic Nanotweezers on Semiconducting Carbon Nanotubes for the Growth and Interfacing of Lead Halide Perovskite Crystal Grains in Solar Cells

• DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c01011
• 发表时间: 2020-06-23
• 期刊: CHEMISTRY OF MATERIALS
• 影响因子: 8.6
• 作者: Lin, Hao-Sheng;Okawa, Shunhei;Maruyama, Shigeo
• 通讯作者: Maruyama, Shigeo

中国科学技術大学(中国)

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