两种卟啉三酰胺超分子自组装及其光电应用研究

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将具有共轭大π键的分子通过自组装形成的超分子体系,有望通过其长程有序的结构,提升光电子的传输效率,从而在光电领域得到长足的应用。本文设计合成了以均苯三甲酰胺为核心两种卟啉三酰胺单体分子R1、R2,对两种分子在不同溶液中的自组装行为进行了研究,并将R1、R2作为染料敏化剂应用到染料敏化太阳能电池上,研究R1、R2的超分子体系作为光敏剂对太阳能电池光电转换效率的影响。通过Mac Donald 2+2法,以单取代二吡咯甲烷,长碳链烷氧基苯甲醛等为原料合成带有硝基官能团的两种卟啉母核,硝基卟啉经氯化亚锡还原、与均苯三甲酰氯发生酰化反应得到两种氨基卟啉三酰胺单体分子5,15-对十二烷氧基苯基-10-对酰胺基苯基卟啉三酰胺单体TA,5,15-对十二烷氧基苯基-10-对氨基苯基-15-对甲酰甲氧基苯基卟啉三酰胺单体TB。TA通过与锌盐反应等最终得到氨基锌卟啉三酰胺单体分子R1;TB经水解反应、与锌离子络合最终得到含有锚定基团的氨基锌卟啉三酰胺单体分子R2。通过核磁氢谱、碳谱、质谱手段对反应中间产物及目标分子进行表征。采用紫外-可见吸收光谱研究R1和R2的自组装行为,结果显示在良溶剂中,R1存在状态为单分子形态。在不良溶剂中,超过一定浓度,R1分子发生自组装,形成超分子聚合物,其临界浓度为1×10-6 mol/L。将R1、R2以一定比例混合,通过改变溶剂制备基于R1、R2的超分子聚合物和单分子分散溶液,将其分别作为光敏剂应用到染料敏化太阳能电池(DSSC)器件中,对比研究染料自组装对DSSC的光伏性能的影响。结果显示,以R1、R2超分子聚合物敏化的DSSC光电转换效率(η)仅为0.06%,远低于非自组装体系的η(0.6%)。但相比于非自组装体系,超分子聚合物敏化的DSSC表现出更大的电子复合阻抗和更高的电子寿命。探究了基于R2、TBA-S-CN共敏化DSSC的光伏性能。结果表明,共敏化可以有效阻止DSSC暗电流的产生,同时提高开路电压,但是共敏化导致短路电流降低,未能提高DSSC光电转换效率。研究了R1作为有机半导体材料在有机场效应晶体管上的潜在应用。结果表明R1热稳定性较高,且能级与金属功函匹配,但是由于其在溶液中的成膜性很差,需要进一步研究成膜方法。
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