ナフタレンを基調とした電子欠損性π骨格とそれを有する半導体ポリマーの創出

基于萘的缺电子π骨架的创建以及包含它的半导体聚合物

基本信息

批准号：
18J01597
负责人：
三木江翼
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Hiroshima University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

π共役系ポリマーは、有機薄膜太陽電池（OPV）の発展を支える重要な材料群である。OPVの喫緊の課題である変換効率向上に対する最も有効なアプローチの１つは、効率的に電荷を輸送する「高結晶性ポリマー」の開発である。一方で、p/n型有機半導体の混合膜が良好な相分離構造を形成することが、電荷生成、ひいては変換効率向上につながる。そのため、互いに相溶性が高い必要があり、材料が十分な溶解性を有することも重要なポイントとなる。しかしながら、ポリマーの結晶性向上がもたらす溶解性低下は、過度な凝集を与え適切な相分離構造や、ポリマーの薄膜形成を困難にする。つまり、ポリマーの「高結晶性」と「高溶解性」という相反する要素をいかに両立するか、これがOPVの変換効率向上の鍵となる。このような観点から本年度は、置換基導入可能なナフトビスピラジン（NPz）骨格に着目し、それを有するπ共役系ポリマーの開発に取り組んだ。特に、電子求引性基であるエステル基を導入したNPzを有するポリマーは、室温の有機溶媒に可溶なほど高い溶解性を有する一方で、2D-GIXD測定により高い結晶性を有することがわかった。また、ポリマーのエネルギー準位を評価したところ、深いエネルギー準位、特に、深いLUMO準位を与えることが明らかになった。それに伴い、ポリマーの吸収は近赤外領域まで達した。これらの結果は、NPzの電子欠損性が向上し、ポリマー鎖間のπ-π相互作用を促進したためであると考えられる。このように、本年度開発した種々のNPz骨格は、半導体ポリマーのビルディングユニットとして有望であり、得られた一連の結果は、高性能なNPz系ポリマー創出のための有用な分子設計指針になり得る。

π偶联的聚合物是支持有机薄膜太阳能电池（OPV）开发的重要材料。提高转化效率的最有效方法之一是OPV的紧迫问题，是开发有效运输费用的“高度结晶聚合物”。另一方面，在P/N型有机半导体的混合膜中形成良好的相位分离结构会导致电荷产生改善，进而提高了转化效率。因此，必须彼此具有高兼容性，并且重要的是材料具有足够的溶解度。然而，由聚合物的结晶度提高引起的溶解度的降低会导致过度聚集，并使很难形成适当的相分离结构或聚合物的薄膜。换句话说，如何结合聚合物“高结晶度”和“高溶解度”的相反元素是提高OPV转换效率的关键。从这个角度来看，今年，我们专注于可以将其引入取代基的萘偶联性（NPZ）骨骼，并致力于对此开发π共偶联的聚合物。特别是，具有NPZ的聚合物掺入酯基团（电子吸引电子基团）具有较高的溶解度，以便在室温下溶于有机溶剂中，但通过2D-GixD测量了高结晶度。此外，当评估聚合物的能级时，揭示了深层能量水平，尤其是深度Lumo水平。结果，聚合物的吸收达到了近红外区域。这些结果被认为是由于NPZ的电子缺乏和聚合物链之间的π-π相互作用所致。因此，今年开发的各种NPZ主链是有希望的，因为建筑单元用于半导体聚合物，并且结果集可以为创建高性能NPZ聚合物提供有用的分子设计指南。