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 21-43-00051

НазваниеРазработка новых нефуллереновых акцепторных материалов на основе сопряженных олигомеров и полимеров для высокоэффективных и стабильных органических солнечных батарей

РуководительПономаренко Сергей Анатольевич, 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

2021 г. - 2023 г.

Конкурс№52 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC).

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

Ключевые словасопряженные олигомеры, донорно-акцепторные олигомеры; олигомерные акцепторы; полимерные акцепторы; органические солнечные элементы; нефуллереновые акцепторы; взаимосвязь структура и свойства; стабильность; термические свойства; спектры поглощения, молекулярный дизайн

Код ГРНТИ31.25.19

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Органические солнечные батареи (ОСБ) имеют массу преимуществ перед неорганическими аналогами, таких 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 и т.п.). Органическая фотовольтаика развивается быстрыми темпами и в последние несколько лет эффективность лучших органических солнечных элементов, фотоактивный слой которых состоит из смеси двух органических полупроводников, донора и акцептора, достигла уже более 17%. Во многом такой успех связан с интенсивной разработкой и использованием новых акцепторных материалов фотоактивного слоя вместо традиционных фуллереновых производных C60 и C70. Однако, с появлением нефуллереновых акцепторов (НФА) 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. Поэтому разработка и исследование новых акцепторных материалов на основе органических сопряженных олигомеров и полимеров 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 комплексном проекте благодаря объединению двух хорошо известных в мировой науке коллективов, российского, представленного в основном химиками синтетиками и физиками, работающими в области теоретических и экспериментальных исследований сопряженных макромолекул, и китайского, представленного физиками, работающими в области органической фотовольтаики, будет пройден так называемый путь от молекулы до устройства. Российским коллективом будет разработан молекулярный дизайн новых НФА - сопряженных олигомеров и полимеров. При молекулярном дизайне в качестве основных электронодонорных (Д) блоков будут использованы аннелированные производные тиенопиррола и дитиеносилола, а в качестве электроноакцепторных (А) групп различные производные дициановиниленинданона, дициановинилентиофениндена бензотиадиазола. Грамотное сочетание различных по силе А групп, а также варьирование длины аннелированных Д фрагментов между ними, позволит контролировать и настраивать положения НСМО и ВЗМО уровней, ширины запрещенной зоны, положение максимумов спектров поглощения и значений электронной подвижности зарядов. С другой стороны, использование в молекулярном дизайне алкильных солюбилизирующих групп, различающихся по длине и разветвлённости сделает возможным тонко настраивать фазовое поведение, кристалличность, морфологию и растворимость таких соединений. В ходе проекта будут получены новые классы донорно-акцепторных сопряженных олигомеров и полимеров. Разработка эффективных схем синтеза таких соединений позволит получать целевые соединения в минимальное количество стадий и с высокими целевыми выходами и чистотой. Исследование 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 НФА 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 НФА. Изучение фазового поведения НФА методом дифференциально-сканирующей калориметрии позволит изучить особенности их фазового поведения в зависимости от температуры. Изучение новых рядов схожих по строению олигомеров и полимеров позволит выявить основные взаимосвязи структура-свойства для подобных типа соединений и научится тонко настраивать и предсказывать их различные физико-химические параметры. Китайская сторона, имеющая большой опыт в изготовлении ОСБ и изучение физических процессов, протекающих в их фотоактивном слое, продолжит изучение разработанных российской стороной НФА в смесях с различными донорными материалами и в прототипах фотовольтаических устройств на их основе. Дополнительным преимуществом такого сотрудничества является тот факт, что у российской стороны есть огромная библиотека донорных материалов, которые могут использоваться китайской стороной вместе с другими доступными коммерческими материалами для быстрого поиска подходящей пары для конкретного НФА. Проведенные исследования позволят сопоставить физико-химические и термические параметры полученных НФА со свойствами его смеси с донорным материалом, особенностями морфологии, разделением фаз их стабильностью и характером деградации, что может дать более глубокое понимание протекающих в фотоактивном слое ОСБ физических процессов и позволит прогнозировать производительность и стабильность ОСБ на основе НФА. Важным фундаментальным результатом совместного проекта будет сравнение влияние типа высокомолекулярной организации НФА, олигомерной или полимерной, на комплекс свойств таких соединений и параметры фотовольтаических устройств на их основе. Полученные в ходе выполнения проекта результаты позволят существенно продвинуться в молекулярном дизайне акцепторных материалов с необходимым набором свойств и получить на их основе высокоэффективные и стабильные органические солнечные батареи. Результаты выполнения проекта предполагается опубликовать в виде серии публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus). Например, в виде серии статей в ведущих международных журналах таких как Advanced Energy Materials, Joule, Journal of Materials Chemistry C, Dyes and Pigments, Organic Electronics и т.п.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут разработаны новые классы донорно-акцепторных сопряженных олигомеров и полимеров – перспективных полупроводниковых материалов с проводимостью n-типа для применения в органических солнечных батареях (ОСБ). Тщательное исследование их свойств 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. Полученные экспериментальные результаты позволят существенно продвинуться в молекулярном дизайне органических полупроводников, отвечающих всем требованиям для создания высокоэффективных и стабильных органических солнечных батарей. Важность разработок направленных на создание новых альтернативных 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. Запланированные результаты, как по использованию современных методов исследования, так и по научной значимости полностью соответствуют мировому уровню исследований в области органической электроники, критерием чему будет, является их публикация в ведущих научных журналах, индексируемых в базах данных Web of Science, например, таких как Advanced Energy Materials, Joule, Journal of Materials Chemistry C, Dyes and Pigments, Organic Electronics и т.д.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---