КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-13-00409

НазваниеСоздание новых органических полупроводников и высокоэффективных электронных устройств на их основе

РуководительТамеев Алексей Раисович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органического синтеза им. И.Я.Постовского Уральского отделения Российской академии наук, Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2021 г. - 2022 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (28).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словасинтез гетероаценов, тиофены, пирролы, диазины, карбазолы, сопряженные полимеры, транспорт носителей заряда, электропроводность, органический полупроводник, тонкая пленка, фотовольтаический эффект, электролюминесценция

Код ГРНТИ31.21.00

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Результатом Проекта 2018 года стали синтез ряда новых органических полупроводников на основе модифицированных производных электронодонорных и электроноакцепторных гетероаценов. Дли новых соединений были определены оптические и электрические свойства их тонких слоев, установлены их связи с химической структурой молекул. Достоинством многих новых органических полупроводников является возможность использования как вакуумного (сухого) метода, так и растворных (жидких) методов для формирования слоев толщиной от единиц до сотни нанометров, и подвижность носителей заряда в таких слоях лежит в пределах 10-5 - 10-3 см2В-1с-1 в зависимости от структуры молекул, самого слоя и режима тока. Созданы лабораторные образцы перовскитного солнечного элемента (ПСЭ) и органического светоизлучающего диода (ОСИД) с зарядо-транспортными слоями из новых полупроводников, благодаря которым устройства показали относительно высокие значения кпд ПСЭ (12%) и световой эффективности ОСИД (5 лм/Вт). Разработка органических полупроводников, отвечающих главному требованию органической пленочной электроники – способность материала формировать тонкие слои с высокой подвижностью носителей, является актуальной проблемой. Для решения этой проблемы в продолжении проекта ставятся следующие новые задачи. Модификация ранее полученных химических соединений для разработки недорогих зарядо-транспортных материалов, альтернативных существующим, например, широко используемому spiro-MeOTAD и его аналогам. Модификация состава органических полупроводников для повышения и оптимизации электрофизических характеристик их слоев. Изучение подвижности носителей заряда в пленках синтезированных органических полупроводников в режиме работы тонкопленочного транзистора (ТПТ). Определение перспективы использования в ТПТ новых органических полупроводников с расширенной π-сопряженной системой. Решение задачи потребует разработки новых подходов к формированию ТПТ и анализа связи между структурой слоя и транспортом носителей заряда в планарной структуре. Исследование электролюминесцентных свойств источников света с теплым белым спектром излучения на основе ОСИД, включающих новые производные индолокарбазолов в качестве функциональных зарядо-транспортных слоев. Реализация этой задачи актуальна для создания безопасных для здоровья человека источников света с настраиваемым спектром излучения. Планируется создать ОСИД с «теплым» белым цветом излучения с яркостью не менее 3000 кд/м2 с рабочим напряжением, не превышающим 12 В. Создание ПСЭ с кпд, равным 15-17%, за счет использования синтезированных полупроводниковых органических молекул в качестве пассивирующей добавки в слой перовскита и/или зарядо-транспортного слоя, состав и толщины которого оптимизированы для эффективного транспорта монополярных носителей заряда. Поставленные задачи являются логическим развитием задач Проекта 2018 г. Полученные в ходе их решения новые материалы и знания о связи между химической, электронной структурой молекул и электрофизическими свойствами пленок имеют большую научную значимость для развития химии органического синтеза и физики органических полупроводников. Масштабность применения результатов выполнения проекта, связанных с разработками ОСИД и ПСЭ, обусловлена распространением органических электронных устройств в повседневную жизнь и появлением новых сфер их применения (дисплеи гаджетов, автономные источники электропитания и т.п.). Важно отметить, что солнечные элементы, как возобновляемые источники электроэнергии, и ОСИД, как энергосберегающие источники света, являются одним из главных способов сохранения окружающей среды при возрастающих потребностях в энергии.

Ожидаемые результаты
Будут разработаны новые оригинальные методы модификации различных конденсированных и/или линейносопряженных структур на платформе карбо- и гетероциклических единиц, в том числе на основе широкого ряда функциональных производных гетероаценов. В основе стратегий синтеза и модификации новых соединений станут передовые достижениями препаративной органической химии, такие как прямая катализируемая переходными металлами функционализации С-Н связей, классические методы и приемы синтетической органической химии, а также оригинальная методология нуклеофильного ароматического замещения водорода в (SNH), отвечающие современным требованиям к органическому синтезу, который должен осуществляться с минимальной нагрузкой на окружающую среду, что предполагает значительное снижение количества отходов,исключение токсичных растворителей и реагентов, уменьшение энергетических затрат. Созданные новые материалы и полученные знания о связи между химической, электронной структурой молекул и электрофизическими свойствами пленок имеют большую научную значимость для развития химии органического синтеза и физики органических полупроводников. Эти результаты будут получены впервые и соответствуют мировому уровню исследований в области органического синтеза и органической электроники. Масштабность применения результатов выполнения проекта, связанных с разработками органического светоизлучающего диода (ОСИД), перовскитного солнечного элемента (ПСЭ) и тонкопленочного транзистора обусловлена распространением органических электронных устройств в повседневную жизнь и появлением новых сфер их применения (дисплеи гаджетов, автономные источники электропитания и т.п.). Важно отметить, что ПСЭ, как возобновляемые источники электроэнергии, и ОСИД, как энергосберегающие источники света, являются одним из главных способов сохранения окружающей среды при возрастающих потребностях в энергии. Полученные результаты предполагается опубликовать в 10 статьях в ведущих отечественных и зарубежных журналах по соответствующей тематике, а также доложить на российских и международных конференциях соответствующего профиля. По результатам разработки новых материалов и электронных устройств на их основе будут поданы заявки на патенты.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Выполнена наработка производных фуразанопиразина с узкой шириной запрещенной зоны, не превышающей значение ~1.8 эВ, перспективные для разработка недорогих зарядотранспортных полупроводников, альтернативные существующим, например, широко используемому spiro-MeOTAD-у и его аналогам. Разработан эффективный метод синтеза 6H-бензофуро[2',3':4,5]тиено[3,2-b]индолов исходя из метил 3-аминотиено[3,2-b]бензофуран-2-карбоксилатов с использованием удобной в исполнении однореакторной процедуры на основе реакции индолизации по Фишеру. При этом, необходимые 3-аминотиено[3,2-b]бензофуран-2-карбоксилаты были получены из 3-хлорбензофуран-2-карбальдегидов в три стадии, включая замену атома Cl в положении C-3 этих субстратов на -SCH2CO2Me, преобразование CHO группы в положении C-2 в CN группу, и последующую циклизацию полученного карбонитрила при действии сильного основания. Выработаны условия формирования твердых слоев новых соединений методом полива из раствора на вращающуюся подложку. В тонких слоях измерена подвижность носителей заряда в разных режимах протекания тока: переходный и стационарный токи в структуре диода и стационарный ток в планарной структуре транзистора. Показано, что новые пуш-пульные соединения проявляют биполярную проводимость с подвижностью электронов и дырок одного порядка величины. В режиме переходного тока подвижности электронов и дырок по порядку величины равны 10-5 см2В-1с-1, а отношение подвижности электроны/дырки не более 5,6. Созданы органические светоизлучающие диоды (ОСИД), в дырочном транспортном слое которых были использованы производные оксадиазолопиразинов. Их применение повысило стабильность работы ОСИД при высокой плотности тока и яркость его излучения на 12%. В итоге были созданы ОСИД с яркостью в зеленой и красной области спектра равной 10020 кд/м2 и 1070 кд/м2, соответственно.

Публикации

1. Иргашев Р. А., Казин Н. А., Русинов Г. Л. An Approach to the Construction of Benzofuran-thieno[3,2-b]indole-Cored N,O,S-Heteroacenes Using Fischer Indolization ACS Omega, Vol. 6, No.47. Pp.32277-32284 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05239

2. Якобсон О.Д., Грибкова О.Л., Тамеев А.Р., Нунзи Ж.-М. A common optical approach to thickness optimization in polymer and perovskite solar cells Scientific Reports, Vol.11. No.1. Art. No. 5005 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s41598-021-84452-x

3. Тамеев А. Р., Козюхин С. А., Русинов Г. Л. Фотовольтаика на основе органических и гибридных полупроводников Аморфные и микрокристаллические полупроводники. Политех-Пресс, г. Санкт-Петербург., стр. 13 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.18720/SPBPU/2/id21-28

4. - Идеальная толщина. Предложен универсальный подход к моделированию параметров солнечных батарей. Коммерсант, Наука. 24.03.2021 (год публикации - )

5. - УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Информационное агентство "Научная Россия", 25.03.2021 19:00 (год публикации - )

6. - Ученые предложили универсальный способ моделирования солнечных батарей ТАСС, 25.03.2021 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведена дальнейшая модификация пуш-пульных систем советующими донорными фрагментами с применением комбинации реакций С-С кросс-сочетания и нуклеофильного ароматического замещения водорода (SNH), открывшие пути получения азинов с орто-расположением (гет)арильных заместителей, как перспективных интермедиатов для дальнейшей циклизации по реакции Шолля, осуществлен синтез на их основе соответствующих полициклических соединений, с использованием данной методики. Пять новых красителей RT 1-5 со структурой D-π-A, содержащих 5-(метилен)роданин-3-уксусную кислоту в качестве акцепторно-якорной части и тиено[3,2-b]индол (RT 1-4) или бензо[g]тиено[3,2-b]индол (RT 5) в качестве электронодонорной части были использованы качестве фотосенсибилизаторов для сенсибилизированных красителем солнечных батарей (СКСБ). Также, были изучены термическая стабильность, оптические и электрохимические свойства этих красителей. Наибольшее значение эффективности преобразования солнечной энергии 1.09 % (Jsc = 3.01 мА/см2, Voc = 0.53 В, FF = 0.69) было достигнуто для СКСБ на основе красителя RT 5 при облучении AM 1.5G. В тонких слоях синтезированных соединений на основе 5-(метилен)роданин-3-уксусной кислоты в качестве акцепторно-якорной части и тиено[3,2-b]индола в качестве донорной части изучена подвижность носителей заряда в разных режимах протекания тока. Полученные значения подвижности (<4х10-5 см2В-1с-1) объясняют относительно низкий кпд СКСБ. Созданы перовскитные солнечные элементы (ПСЭ), которые при освещении потоком мощности 100 мВт/см2 (при облучении АМ1.5G) показывают кпд 15,14% выше, чем в исходном ПСЭ с кпд 14,45%. Результат получен благодаря использованию иодид 2-метилбензо[h]бензо[4,5]тиено[3,2-f]хиназолина-2 (VEV1603) в качестве пассивирующей добавки в перовскит Cs0,2FA0,8PbI3-xClx. Повышение фактора заполнения свидетельствуют о снижении рекомбинационных потерь концентрации носителей заряда в перовските. Дополнительные молекулы VEV1603, по-видимому, усеньшают концентрацию дефектов в границах кристаллических зерен перовскита. Разработаны образцы органического светоизлучающего диода (ОСИД) с теплым белым цветом излучением с яркостью 5941 кд/м2. Cветоизлучающий слой был из производного полифлуорена, дырочным транспортным слоем служил производный индолокарбазола NAK-669, совмещенный со слоем поливинилкарбазола (PVK). При этом образцы ОСИД с дырочным транспортным слоем из известного поли-TPD/PVK не излучают теплый белый цвет и излучают с меньшей яркостью 4940 кд/м2 при одинаковом с образцами со слоем NAK-669 напряжении 12 В.

Публикации

1. Степарук А.С., Иргашев Р.А., Жилина Е.Ф., Емец В.В., Гринберг В.А., Текшина Е.В., Белова Е.В., Лазаренко П.И., Толкач Н.М., Русинов Г.Л., Козюхин С.А. New thieno[3,2-b]indole conjugates with 5-(methylene)rhodanine-3-acetic acid in dye-sensitized solar cells Mendeleev Communications, Том 32, Выпуск 4, Страницы 523 – 526 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.mencom.2022.07.030

2. Степарук А.С., Иргашев Р.А., Жилина Е.Ф., Русинов Г.Л., Петрова С.А., Саранин Д.С., Александров А.Е., Тамеев А.Р. Thieno[3,2-b]indole-benzo[b]thieno[2,3-d]thiophen-3(2H)-one-based D-π-A molecules as electron transport materials for perovskite solar cells New Journal of Chemistry, V.46. Iss.34. P.16612-16617 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1039/D2NJ02202H

3. Степарук А.С., Казин Н.А., Толщина С.Г., Иргашев Р.А., Жилина Е.Ф., Александров А.Е., Лыпенко Д.А., Саяров И.Р., Тамеев А.Р., Русинов Г. Л. Indolo[3,2-b]carbazole derivatives with hole conductivity in organic light emitting diodes Russian Journal of Physical Chemistry A, V.97. N.5. (год публикации - 2023)

4. Степарук А.С., Квашнин Ю.А., Г.Л. Русинов Г.Л., Вербицкий Е.В., Александров А.Е., Лыпенко Д.А., Тамеев А.Р., Чарушин В.Н. The first application of push-pull systems based on 1,2,5-oxadiazolo[3,4-b]pyrazine in organic light emitting diodes and perovskite solar cells Russian Chemical Bulletin, V.72. N.2 (год публикации - 2023)

5. Квашнин Ю.А., Вербицкий Е.В., Русинов Г.Л., Чарушин В.Н. Modification and application of 1,2,5-oxadiazolo[3,4-b]pyrazine derivatives: highlights and perspectives Russian Chemical Bulletin, Vol. 71, No. 7, pp. 1342—1362 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s11172-022-3540-0

6. Вербицкий Е.В., Русинов Г.Л., Чарушин В.Н. SNH-Reactions and Other Cross-Dehydrogenative Coupling Processes for the Construction of 1,3-/1,4-Diazine-Based Polycyclic Systems Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes: Proceedings of the 10th International Voevodsky Conference. September 5–9, 2022 / Novosibirsk State University, p.206 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25205/978-5-4437-1350-2

7. Степарук А.С., Жилина Е.Ф.,Иргашев Р.А., Русинов Г.Л., Петрова С.А., Саранин Д.С., Александров А.Е., Тамеев А.Р. New D-π-A Compounds as Electron Transport Materials for Perovskite Solar Cells Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes: Proceedings of the 10th International Voevodsky Conference. September 5–9, 2022, p.202 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25205/978-5-4437-1350-2

Возможность практического использования результатов
Разработанные в ходе выполнения проекта новые органические полупроводники и методы формирования тонких слоев применимы для создания стабильных высокоэффективных электронных устройств - органических светоизлучающих диодов, фотодиодов и солнечных элементов.