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 19-73-10198

НазваниеРазработка новых функциональных материалов на основе сопряженных донорно-акцепторных олигомеров для органической фотовольтаики

РуководительЛупоносов Юрий Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт синтетических полимерных материалов им.Н.С.Ениколопова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-301 - Синтез и химические превращения макромолекул

Ключевые словасопряженные олигомеры, донорно-акцепторные молекулы, олиготиофен, оптические свойства, органический полупроводник, органические солнечные батареи

Код ГРНТИ31.25.19

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Органические солнечные батареи (ОСБ) имеют массу преимуществ перед неорганическими аналогами, такие как гибкость, лёгкость, возможную полупрозрачность, малую зависимость КПД от угла падения солнечного света и др. В последние несколько лет эффективность лучших прототипов ОСБ достигла уже 19%, что приближается к значениям КПД кремниевых солнечных батарей. Во многом такой успех связан с интенсивной разработкой новых акцепторных материалов (АМ) фотоактивного слоя - сопряженных молекул с преимущественной проводимостью n-типа, на замену традиционным фуллереновым производным. Однако интенсивное развитие нефуллереновых акцепторов (НФА) для ОСБ поставило перед научным сообществом ряд новых вопросов, требующих решений, главными из которых стали поиск органических донорных материалов (ДМ), комплементарных по своим оптическим и электрохимическим свойствам НФА и выявлении взаимосвязей структура–свойство–параметры ОСБ. Кроме того, лучшие представители НФА представляют собой молекулы с сопряжённой конденсированной структурой и сложным многостадийным синтезом. Поэтому разработка и исследование новых как ДМ, так и АМ с оптимальными свойствами и эффективными способами синтеза для нефуллереновых ОСБ является актуальной и активно развивающейся областью науки. В данном проекте предполагается использовать комплексный подход для разработки новых органических полупроводниковых материалов на основе сопряженных донорно-акцепторных (Д-А) олигомеров с оптимальными свойствами для ОСБ, базирующийся не только на богатом личном опыте коллектива и тщательном литературном анализе, но включающий теоретические расчеты, комплексное исследование и анализ свойств полученных материалов, как по отдельности, так и в смесях, в прототипах фотовольтаических устройств. Важным отличием от Проекта 2019 года будет не только использование новых химических фрагментов и их сочетаний для дизайна донорных и акцепторных олигомеров, но и широкое применение стратегии направленного конформационного «локинга» молекул за счет нековалентных взаимодействий между соседними фрагментами с алкокси–группами и серусодержащими гетероарильными блоками. Такой подход позволит достичь близкие к планарным конформации молекул олигомеров в блоке и существенно упростит синтез НФА по сравнению с полностью конденсированными аналогами. Новым фокусом работы станет также использование, наряду с бинарными и мултьтикомпонентных составов фотоактивного слоя в ОСБ за счет смешения разных ДМ и АМ с комплементарным поглощением и энергетическими уровнями, что позволит поглощать солнечный свет в более широком диапазоне и существенно повысить эффективность ОСБ. Комплексное исследование свойств (термическая стабильность, фазовое поведение, оптические и электрохимические свойства, подвижность зарядов) полученных новых рядов сопряженных олигомеров позволит проверить правильность выбранной стратегии молекулярного дизайна, а также выявить как различные параметры химической структуры влияют на комплекс их свойств. Путем анализа физико-химических свойств полученных олигомеров будут выбраны наиболее перспективные сочетания компонентов активного слоя, на основе которых будут созданы высокоэффективные прототипы ОСБ и измерены их фотовольтаические характеристики. Выполнение данного междисциплинарного и комплексного проекта квалифицированным коллективом химиков и физиков, работающих в области органической электроники позволит успешно пройти в этом проекте путь от «от молекулы к устройству». Полученные экспериментальные результаты позволят существенно продвинуться в молекулярном дизайне органических полупроводников, отвечающих всем требованиям для создания высокоэффективных и стабильных ОСБ. Данная работа позволит ответить на многие вопросы о взаимосвязи структура-свойства для данного типа соединений и откроет возможность конструировать Д-А олигомеры с заранее заданными физико-химическими параметрами и найти им применения также в смежных областях гибридной и органической оптоэлектроники.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны новые классы донорно-акцепторных (Д-А) сопряженных олигомеров – перспективных полупроводниковых материалов для применения в органических солнечных батареях (ОСБ). Тщательное исследование их свойств (оптических, электрохимических, термических, полупроводниковых) позволит выявить основные взаимосвязи структура-свойства для подобных классов соединений, что позволит не только предсказывать и тонко настраивать их различные физико-химические параметры, но и конструировать материалы с заранее заданными свойствами как для ОСБ, так и целого ряда значимых смежных применений. В числе последних фотодетекторы в видимом и ближнем ИК диапазоне, тонкоплёночные полевые транзисторы и сенсоры на их основе, светоизлучающие диоды, интерфейсные, дырочно- и электрон-транспортные слои для органических и гибридных оптоэлектронных устройств, фотокаталитичексие системы, в том числе для фотолиза воды, как экологически чистый способ получения молекулярного водорода, а также материалы с биологически прозрачными (красный и ближний ИК диапазон) спектральными диапазонами поглощения и излучения света, поскольку к органическим полупроводниковым материалам используемым в данных областях применяется весьма схожие требования и используются схожий набор реакций для синтеза. Полученные экспериментальные результаты позволят существенно продвинуться в молекулярном дизайне органических полупроводников, отвечающих всем требованиям для создания высокоэффективных и стабильных ОСБ. Важность разработок направленных на создание новых полупроводниковых материалов и экономически выгодных и эффективных возобновляемых источников энергии, не нуждается в особом обосновании и конечно же считается высокой как для экономической, так и социальной сфер. В случае получения патентоспособных результатов и необходимости защиты интеллектуальной собственности будет подана заявка на изобретение. Практическое использование и внедрение полученных результатов планируется в течение 2-3 лет после окончания проекта при разработке технологии производства гибких и/или полупрозрачных органических солнечных батарей, которая ведется в созданном при ИСПМ РАН малом инновационном предприятии ООО «Органик Солартек», уже на данном этапе к таким разработкам существует большой интерес со стороны ряда индустриальных и специальных предприятий нашей страны. Запланированные результаты, как по использованию современных методов исследования, так и по научной значимости полностью соответствуют мировому уровню исследований в области органической фотовольтаики, критерием чему будет, является их публикация в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, преимущественно или полностью в журналах из первого квартиля.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате выполнения первого этапа продления проекта, с учётом анализа ранее полученных результатов, а также данных компьютерного моделирования DFT, был разработан молекулярный дизайн новых сопряженных олигомеров донорно-акцепторного (Д–А) строения, имеющих: пара- а также мета-сопряженный бензотрииндольный, фениленовый, триазиновый центральные электронодонорные (ЭД) центры, сопряженные через би- или тертиофеновый спейсерные фрагменты с концевыми алкилдициановинильными или цианоацетатными, роданиновыми или дицианороданиновыми электроноакцепторными (ЭА) группами. Синтез таких соединений был оптимизирован и проведен по ранее разработанным эффективным схемам синтеза. Все полученные Д–А олигомеры были выделены в индивидуальном состоянии, а их химическое строение и высокая чистота были доказаны комплексом современных физико-химических методов, включающих ГПХ, ЯМР-спектроскопию на ядрах 1Н и 13С, элементный анализ. Оптические, электрохимические, термические свойства полученных Д–А олигомеров различного строения были исследованы методами абсорбционной спектроскопии, циклической вольтамперометрии, дифференциально-сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа, соответственно. Сравнение комплекса свойств полученных соединений между собой, а также с обширной библиотекой ранее полученных олигомеров, позволило выявить влияние природы центрального ЭД центра и концевых ЭА заместителей, а также длины олиготиофенового спейсера между ними на их свойства и параметры фотовольтаических устройств. Данные блоки и группы были ранжированы по степени их ЭД и ЭА способностей. Показано, как усиление первых приводит к повышению энергии ВЗМО, усиление вторых – к понижению энергии НСМО, как следствие, сужению ширины запрещенной зоны, что заметно влияет на растворимость, фазовое поведение и спектры поглощения в растворах и тонких пленках. Систематическое исследование фотовольтаических свойств полученных соединений в смесях с нефуллереновыми акцепторами (IDIC и Y6) на большей выборке донорных олигомеров различной топологии наглядно продемонстрировало влияние выбранной ЭА на эффективность нефуллереновых ОСБ. Так, олигомеры с цианоацетатными ЭА группами образуют более эффективные фотовольтаические смеси как с IDIC, так и Y6. Наибольшей эффективностью среди рассматриваемого массива Д–А олигомеров различного строения характеризовались устройства на основе звездообразных бензотрииндольных олигомеров с тертиофеновым спейсером, что в полной мере демонстрирует возможность и перспективность использования подобных звездообразных донорных соединений в смеси с нефуллереновыми акцепторами. Сравнение свойств полученных олигомеров в зависимости от варьируемых параметров их химической структуры (длина сопряжения олиготиофенового спейсера, тип электроноакцепторного и электронодонорного фрагмента) позволило выявить основные элементы взаимосвязи структура – свойства для полученных систем. Полученные знания позволят предсказывать и тонко настраивать свойства подобных соединений и существенно продвинуться на пути к созданию эффективных и стабильных органических солнечных батарей и смежных устройств органической и гибридной оптоэлектроники. В ходе выполнения этапа опубликовано 3 статьи в международных высокорейтинговых научных журналах индексируемых в базах «Web of Science» и «Scopus» из первого квартиля. Результаты были представлены в виде 3 приглашенных, 3 устных и 1 стендового докладов на международных и всероссийских профильных научных конференциях.

 

Публикации

1. Агафонова Е.Е., Теплякова М.М., Балакирев Д.О., Дядищев И.В., Сухорукова П.К., Солодухин А.Н., Елакшара А., Лучкина С.Ю., Ионов А.М., Протасова С.Г., Новикова А.В., Заморецков Д.С., Насибулин А.Г., Аккуратов А.В., Стивенсон К.Дж. Design Principles for Organic Small Molecule Hole-Transport Materials for Perovskite Solar Cells: Film Morphology Matters Solar Energy Materials and Solar Cells, Т. 252, 112168 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112168

2. Балакирев Д.О., Маннанов А.Л., Емельянов Н.А., Сухорукова П.К., Калиниченко А.К., Трошин П.А., Паращук Д.Ю., Пономаренко С.А.,. Лупоносов Ю.Н. Star-shaped benzotriindole-based donor compounds for all–small–molecule non-fullerene organic solar cells Dyes and Pigments, V. 216, 111343, DOI: 10.1016/j.dyepig.2023.111343 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2023.111343

3. Ферьянцова Л., Балакирев Д. О., Федоренко Р. С., Куевда А. В., Труханов В. А., Свидченко Е. А., Сурин Н. М., Перегудова С. М., Дмитрияков П. В., Дубинец Н. О., Федоров Ю. В., Путала М., Пономаренко С. А., Паращук Д. Ю., Лупоносов Ю. Н. Novel low-bandgap donor–acceptor thiophene-phenylene co-oligomers for light-emitting semiconductor devices Dyes and Pigments, Т. 215, 111256 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2023.111256