Антратиофентетрапропандинитрилы – новые акцепторные малые молекулы для органической фотовольтаики
Невоструев Данил Александрович, аспирант 4-го года обучения
ИХКГ СО РАН, младший научный сотрудник
Лаборатория ХФСР, науч. рук. проф. РАН, в.н.с., д.ф.-.м.н. Кулик Л. В.
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность
Полисопряженные органические соединения с донорными или акцепторными свойствами являются перспективными материалами для применения в органической фотовольтаике. Наиболее известными представителями конденсированных систем являются полиацены: антрацены, тетрацены и т.д. Однако их изоэлектронные гетероаналоги более востребованы ввиду большей устойчивости как к условиям окружающей среды (кислород, влага), так и к нагреву. Для улучшения физико-химических свойств, таких как проводимость, поглощение света и др. зачастую используют тиофен-содержащие аналоги аценов. Одним из примеров таких соединений могут быть бензодитиофены: солнечные элементы на основе таких молекул продемонстрировали КПД порядка 12%. Близким родственником бензодитиофенов являются антратиофены. Они проявляют большую доступность для химической модификации и функционализации, причем фотохимическая стабильность тиеноаценов выше, чем у их углеводородных аналогов, что делает их перспективными для применения в органической фотовольтаике.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение
Одна из проблем в синтезе тиофен-сопряженных молекул заключается в том, что чаще всего используют литий- или магнийорганические производные, требующие абсолютных растворителей и инертной атмосферы. При работе с ними также необходимо поддерживать низкую температуру. Потому появилась необходимость нахождения других способов введения тиофенового фрагмента в сопряженную систему молекулы. Для варьирования физико-химических и оптических свойств, в молекулу был введен центральный пи-линкер с различным положением заместителей.
Одним из направлением в органической фотовольтаике является поиск и синтез соединений (как донорных, так и акцепторных) для повышения КПД солнечной ячейки. В данной работе было решено изменить структуру ранее синтезированных молекул – сделать из ангулярных антратиофенов линейные. Данное решение позволило сильно повысить растворимость только соединения, содержащего флуореновый пи-линкер, а также КПД солнечных элементов с 0.04% до 0.71%.
3. Используемый подход, его новизна и оригинальность
В данной работе был использован подход, с помощью которого ацетиленовое производное антрахинонов аннелируется под действием сульфида натрия в пиридине в ангулярный антратиофендион. Затем в результате реакции Кневенагеля антратиофендиона с малононитрилом получается антратиофентетрапропандинитрил. Благодаря использованию центрального пи-линкера удалось значительно повысить растворимость антратиофенов. После чего изучались физико-химические и оптические свойства растворов и пленок полученных соединений.
4. Полученные результаты, их уровень и значимость
В ходе данной работы были синтезированы новые акцепторные молекулы на основе антратиофенов. Было показано, что применение производного антрахинона, содержащего атом хлора в орто-положении, повышает селективность реакции циклизации в присутствии сульфида натрия. В спектрах оптического поглощения и люминесценции наблюдается батохромный сдвиг при переходе от мета-положения заместителей к пара-положению. Также наблюдалось понижение уровня нижних свободных молекулярных орбиталей при введении малононитрильных групп. Были зарегистрированы спектры стационарного ЭПР композитов с полимеров PCDTBT, что свидетельствует о переносе заряда из фазы донора в фазу акцептора. Были изготовлены солнечные элементы в архитектуре ITO/PEDOT:PSS/PCDTBT:SM/PFN/FM по безвакуумной методике нанесения верхнего электрода.
5. Вклад молодого ученого в выставляемые на конкурс работы
Молодым ученым было выполнено следующее: приготовление растворов и тонких пленок, регистрация спектров оптического поглощения, изучение морфологии тонких пленок, изготовление солнечных элементов, а также обработка результатов.
6. Список статей, опубликованных в рецензируемых журналах, индексируемых ISI
1. Denis S. Baranov, Olga L. Krivenko, Maxim S. Kazantsev, Danil A. Nevostruev, Elena S. Kobeleva, Vladimir A. Zinoviev, Alexey A. Dmitriev, Nina P. Gritsan, Leonid V. Kulik. Synthesis of 2,2'-[2,2'-(arenediyl)bis(anthra[2,3-b]thiophene-5,10-diylidene)] tetrapropanedinitriles and their performance as non-fullerene acceptors in organic photovoltaics. Synth. Metals. 2019, 116097.