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

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 проекта 19-73-10198

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

Руководитель Лупоносов 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

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

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

Код ГРНТИ31.25.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Органическая электроника – одна из бурно развивающихся в последнее десятилетие отраслей науки и техники. Основные преимущества органической электроники заключаются в лёгкости и гибкости получаемых электронных устройств, их хорошей энергоэффективности, возможности массово создавать устройства с большой площадью и мономолекулярным и/или наноразмерным активным слоем, а также невысокой стоимости производства за счёт использования недорогих субстратов (бумага, пластик, плёнка и др.) Наиболее активным направлением области органической электроники является органическая фотовольтаика. 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. Кроме того при производстве ОСБ возможно заменить дорогостоящие производственных процессы (литография, высоковакуумные методы и т.д.) на современные печатные технологии (струйная, рулонная и трафаретная печати ит.п.). Органическая фотовольтаика развивается быстрыми темпами и в последние пару лет эффективность лучших органических солнечных элементов, фотоактивный слой которых состоит из смеси двух органических полупроводников, донора и акцептора, достигла уже более 15%. Во многом такой успех связан с интенсивной разработкой новых акцепторных материалов фотоактивного слоя - сопряженных молекул с преимущественной проводимостью n-типа, на замену традиционным фуллереновым производным C60 и C70. Однако, с появлением нефуллереновых акцепторов появилось много вопросов, связанных с физикой, морфологией и стабильностью их смесей с донорными молекулами. На сегодняшний день, синтез и выбор для смешения донорных и акцепторных материалов в фотоактивном слое во многом базируется на методе проб и ошибок. Кроме того, лучшие представители таких соединений, обладают сложным многостадийным синтезом и имеют в своем составе химические блоки с низкой стабильностью. Во многом из-за этого теоретически предсказанная эффективность (20%) и желаемая долговременность работы ОСБ (10 лет) пока не достигнуты. Cтоит отметить, что упомянутые выше рекордные значения эффективности устройств достигнуты ОСБ, фотоактивный слой которых представлен смесью сопряженного полимера, выполняющего роль донора, и акцептора на основе индаценотиофенов, где и первые и последние не являются идеальными по совокупности своих свойств материалами. С одной, стороны, сопряженные полимеры, обладают рядом известных недостатков, главным из которых является сложность воспроизведения одинаковых молекулярно-массовых характеристик от партии к партии, что приводит к различиям выходных параметров устройств. С другой стороны, лучшие акцепторы на основе индаценотиофенов, хоть и демонстрируют выдающиеся характеристики, обладают сложным синтезом, что делает маловероятным их коммерциализацию. Поэтому разработка и исследование новых донорных и акцепторных органических сопряженных олигомеров (малых молекул) для ОСБ является актуальной и активно развивающейся областью науки. Для успешного решения упомянутых проблем важно использование системного подхода с планомерным выявлением основных взаимосвязей структура – свойства. В данном проекте предполагается использовать комплексный подход для разработки новых функциональных материалов с оптимальными свойствами для органической фотовольтаики, 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. Для успешной разработки молекулярного дизайна на первом этапе проекта будет проведено масштабное компьютерное моделирование с использованием метода теории функционала плотности для различных новых сочетаний электронодонорных блоков, электроноакцепторных групп и сопряженного спейсера между ними, что позволит определить не только оптимальные сочетание и природу используемых функциональных групп, но и сузит круг планируемых к синтезу соединений. При молекулярном дизайне в качестве основных электронодонорных (Д) блоков будут использованы производные трииндола, акридина, индолоиндола и бензодитиофена, а в качестве электроноакцепторных (А) групп различные производные дициановинильных, 3-аклилроданиновых и инданоновых групп. Сочетание различных по силе Д и А групп, а также варьирование длины сопряженного спейсера между ними, позволит целенаправленно настраивать положения ВЗМО и НСМО уровней для появления преимущественно дырочной или электронной подвижности зарядов. С другой стороны, грамотное использование положения и природы солюбилизирующих заместителей в молекулярном дизайне сделает возможным тонко настраивать фазовое поведение и растворимость таких соединений. В ходе проекта будут получены новые классы донорно-акцепторных сопряженных олигомеров. Разработка эффективной схемы синтеза таких соединений позволит получать целевые соединения в минимальное количество стадий, с высокими целевыми выходами и чистотой. Исследование основных физических свойств полученных новых рядов Д-А олигомеров позволит проверить правильность выбранной стратегии молекулярного дизайна, а также выявить как различные параметры химической структуры влияют на комплекс их физических свойств. Высокая термическая стабильность будет подтверждена при изучении полученных олигомеров методом термогравиметрического анализа, как на воздухе, так и в инертной атмосфере. Изучение оптических и электрохимических свойств методами оптической абсорбционной спектроскопии и циклической вольтамперометрии позволит определить диапазон поглощения солнечного света, определить ширину запрещённой зоны и экспериментально вычислить значения энергий ВЗМО и НСМО уровней полученных олигомеров. Изучение фазового поведения олигомеров методом дифференциально-сканирующей калориметрии позволит изучить особенности их фазового поведения в зависимости от температуры. Подвижность носителей заряда будет определена методом тока, ограниченного пространственным зарядом и/или методом полевых транзисторов. Путем анализа физико-химических свойств полученных олигомеров будут выбраны наиболее перспективные сочетания компонентов активного слоя, на основе которых будут созданы образцы органических солнечных элементов и измерены их фотовольтаические характеристики, в т.ч. КПД и спектр внешней квантовой эффективности. Изучения нового ряда схожих по строению олигомеров позволит выявить влияние различных параметров их химической структуры на комплекс физико-химических и фотовольтаических параметров разрабатываемых олигомеров. Выполнение данного междисциплинарного проекта квалифицированным коллективом химиков и физиков (экспериментаторов и теоретиков), работающих в областях органической электроники позволит пройти в этом проекте путь от «от молекулы к устройству». Таким образом, новый молекулярный дизайн, новые материалы, разработка эффективных способов синтеза и комплексное исследование представительного ряда новых p-сопряжённых Д-А олигомеров, безусловно, представляют большой научный интерес. 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. Полученные экспериментальные результаты позволят существенно продвинуться в молекулярном дизайне органических полупроводников, отвечающих всем требованиям для создания высокоэффективных и стабильных органических солнечных батарей. Таким образом, данный проект направлен на решение как фундаментальных, так и прикладных научных проблем. Результаты выполнения проекта предполагается опубликовать в виде серии научных статей в ведущих отечественных и зарубежных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, например, таких как Organic Electronics, Dyes and Pigments, Synthetic Metals, Journal of Materials Chemistry C, Mendeleev Communications и т.п., а также в виде тезисов на ведущих конференциях и симпозиумах по тематике проекта. Лучшие результаты планируется опубликовать в таких журналах как ACS Applied Materials and Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, Chemistry of Materials, Nanoenergy, Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials и т.п.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Го Ж., Балакирев Д. О., Гу С., Перегудова С. М., Пономаренко С. А., Лю З., Лупоносов Ю. Н., Мин Д., Лей А. End group tuning in small molecule donors for non-fullerene organic solar cells Dyes and Pigments, volume 175, p. 108078 (год публикации - 2020)
10.1016/j.dyepig.2019.108078

2. Лупоносов Ю.Н., Солодухин А.Н., Маннанов А.Л., Савченко П. С., Миненков Ю., Паращук Д. Ю., Пономаренко С. А. Effect of fused triphenylamine core in star-shaped donor-π-acceptor molecules on their physicochemical properties and performance in bulk heterojunction organic solar cells Dyes and Pigments, 177, 108260 (год публикации - 2020)
10.1016/j.dyepig.2020.108260

3. Балакирев Д.О, Лупоносов Ю.Н., Маннанов А.Л., Савченко П.С., Миненков Ю., Паращук Д.Ю., Пономаренко С.А. Star-shaped benzotriindole-based donor-acceptor molecules: synthesis, properties and application in bulk heterojunction and single-material organic solar cells Dyes and Pigments (год публикации - 2020)

4. Солодухин А, Лупоносов Ю., Маннанов А., Савченко П., Бакиров А., Щербина М., Чвалун С., Паращук Д., Пономаренко С. Branched electron‐donor core effect in D‐π‐A star‐shaped small molecules on their properties and performance in single‐component and bulk‐heterojunction organic solar cells Energies (год публикации - 2021)

5. Калиниченко Н.К., Балакирев Д.О., Сааченко П.С., Маннанов А.Л., Перегудова С.М., Паращук Д.Ю., Пономаренко С.А., Лупоносов Ю.Н. Effects of electron-withdrawing group and π-conjugation length in donor-acceptor oligothiophenes on their properties and performance in non-fullerene organic solar cells Dyes and Pigments (год публикации - 2021)

6. Н. К. Калиниченко, Д. О. Балакирев, П. С. Савченко, А. Л. Маннанов, С. М. Перегудова, Д. Ю. Паращук, С. А. Пономаренко, Ю. Н. Лупоносов Effects of electron-withdrawing group and π-conjugation length in donor-acceptor oligothiophenes on their properties and performance in non-fullerene organic solar cell Dyes and Pigments, том 194, 109592 (год публикации - 2021)
10.1016/j.dyepig.2021.109592

7. А. Н. Солодухин, Ю. Н. Лупоносов, А. Л. Маннанов, П.С. Савченко, А.В. Бакиров, М.А. Щербина, С. Н. Чвалун, Д. Ю. Паращук, С. А. Пономаренко Donor Core Effect in D-π-A Star-Shaped Small Molecules on Their Properties and Performance in Single-Component and Bulk-Heterojunction Organic Solar Cells Energies, 14, 3596 (год публикации - 2021)
10.3390/en14123596

8. Алина Ф. Латыпова, Никита А. Емельянов, Дмитрий О. Балакирев, Полина К. Сухорукова, Надежда К. Калиниченко, Петр М. Кузнецов, Юрий Н. Лупоносов, Сергей М. Алдошин, Сергей А. Пономаренко, Павел А. Трошин, Любовь А. Фролова Design Principles for Organic Small Molecule Hole-Transport Materials for Perovskite Solar Cells: Film Morphology Matters ACS Applied Energy Materials, 10.1021/acsaem.1c03119 (год публикации - 2022)
10.1021/acsaem.1c03119

Публикации