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 22-73-00102

НазваниеСоздание высокоэффективных сенсибилизированных красителем солнечных ячеек на основе новых семейств красителей

РуководительКнязева Екатерина Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые словаорганические красители; сенсибилизированные красителем солнечные ячейки; фотовольтаическая эффективность; синтез; внутренний акцепторный фрагмент; реакции кросс-сочетания; прямое С-Н арилирование

Код ГРНТИ31.21.27

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы такие преобразователи солнечной энергии в электричество, как органические солнечные элементы, которые используют органические материалы в качестве активного слоя, приобретают значительный не только теоретический, но и практический интерес. В этих электронных устройствах, органические материалы играют ключевую роль, активно управляя процессами электронных переносов. Использование органических материалов вместо традиционных неорганических дает множество преимуществ, таких как простота изготовления прибора, низкая себестоимость, универсальный молекулярный дизайн и легкость контроля за физическими свойствами материалов. Поиск новых эффективных органических материалов является важной и современной задачей, ориентированной на решение проблемы перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Исследования зависимости «структура-свойство» показали, что наиболее эффективные органические компоненты состоят из различных комбинаций донорных (D) и акцепторных (А) фрагментов, соединенных между собой π- мостиками. При этом каждая составная часть этих молекул (донорная и акцепторная), а также способ их связывания (π-мостики) оказывает определяющее влияние на физические и фотовольтаические характеристики устройств, построенных на основе таких красителей, причем главное внимание к усложненным структурам привлечено при построении новых структур для сенсибилизированных красителем солнечных ячеек. На настоящий момент не существует строгой системы предсказаний эффективности фотовольтаического устройства в зависимости от структуры красителя, поскольку на это влияет целый комплекс различных факторов. Очевидно, что существует возможность улучшения фотовольтаической эффективности солнечных ячеек за счет правильного подбора донорных, акцепторных и спейсерных фрагментов и типа их сочетания. В частности, ряд предлагаемых в настоящей заявке сочетаний этих фрагментов ранее для создания сенсибилизированных красителем солнечных ячеек не использовались. Главной задачей настоящего проекта является разработка эффективных методов синтеза широкого ряда неизвестных ранее молекул 6 типов с различным сочетанием акцепторов, π-спейсеров и доноров, и различным числом вводимых фрагментов для исследования влияния длины цепочки и количества и расположения различных компонентов, строения внутреннего акцептора тиофенсодержащих π-спейсеров и индолинсодержащего донора на их спектральные и фотофизические свойства. Разработка эффективных методов синтеза красителей потребует углубленного исследования реакций кросс-сочетания различных производных внутренних акцепторных блоков и π-спейсеров, в том числе для получения неизвестных ранее структур типа «π-спейсер-внутренний акцептор-π-спейсер-внутренний акцептор-π-спейсер» (π-A-π-A-π). Синтез центрального скелета молекул предполагается осуществить с помощью реакций кросс-сочетания по Сузуки и Стилле или с помощью недавно открытого и малоисследованного метода прямого С-Н арилирования бромпроизводных внутренних акцепторов π-ароматическими и гетероциклическими циклами. Будет осуществлен синтез ряда целевых красителей: как простых молекул структуры «донор-концевой акцептор» (D-A), «внутренний акцептор-π-спейсер-концевой акцептор» (A-π-A1), «донор-π-спейсер-концевой акцептор» (D-π-A1), так и сложных, в том числе неисследованных ранее, D-A-π-A1, D-π-A-π-A1, D-π-A-π-A-π-A1. На их основе будут сконструированы солнечные ячейки, для которых будут изменены коэффициенты преобразования энергии и другие важные эксплуатационные характеристики. Предполагается, что полученные солнечные ячейки для наиболее перспективных образцов будут обладать значениями фотовольтаической эффективности на уровне мировых достижений (10-11%) и выше. Таким образом, сочетание разработки эффективных методов синтеза малоисследованных или неизвестных ранее красителей типа D-A-π-A1, D-π-A-π-A1, D-π-A-π-A-π-A1, новой стратегии синтеза структуры типа π-A-π-A-π, открытой в нами в ходе предварительных экспериментов для данного проекта, и возможностей использования полученных соединений в сенсибилизированных красителем солнечных ячейках позволяет утверждать, что предлагаемый нами проект обладает высокой степенью новизны и практической значимости.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта предполагается получить результаты как фундаментального характера по дизайну и стратегии синтеза новых красителей типа разных типов, так и практического характера, связанные с получением конкретных соединений, которые могут обладать важными физическими свойствами. Для исследования влияния строения внутреннего акцептора, тиофенсодержащих π-спейсеров, длины цепочки и количества и расположения компонентов на спектральные и фотофизические их свойства будет синтезировано 6 типов молекул с различным сочетанием акцепторов, π-спейсеров и доноров и различным числом вводимых фрагментов π и А. Один конец этих молекул будет представлять собой донорный фрагмент, а другой конец - концевой акцепторный фрагмент цианакриловой кислоты. Будут подробно изучены реакции кросс-сочетания по Сузуки и Стилле бромпроизводных бензо[c][1,2,5]тиадиазола и дибензо[a,c]феназина с бороновыми кислотами и триалкилстаннильными производных тиофенсодержащих π-спейсеров в присутствии палладиевых катализаторов и разработаны эффективные методы синтеза центральных кластеров на их основе. Для уменьшения количества стадий в синтезе билдинг-блоков типа A-π и π-A-π будет исследована возможность применения недавно открытого и малоисследованного метода прямого С-Н арилирования π-ароматических и гетероциклических систем. Будет исследована возможность синтеза билдинг-блоков типа π-A-π-A-π на основе реакции кросс-сочетания бромпроизводных внутреннего акцептора и тиофена. Будут синтезированы четыре серии красителей, каждая из которых будет включать по 6 типов структур. В общей сложности будет получено более 20 новых соединений, для которых будут измерены электронные спектры поглощения и получены данные циклической вольтамперометрии, на основании последних будут вычислены значения граничных орбиталей и ширины запрещенной зоны. На основе полученных данных для наиболее перспективных красителей будут сконструированы солнечные ячейки, для которых будут измерены необходимые характеристики, включая коэффициенты преобразования энергии.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта получены фундаментальные результаты, связанные с дизайном и стратегией синтеза новых красителей разных типов, а также результаты практического характера, заключающиеся в получении конкретных соединений, которые могут обладать интересными физическими свойствами. Синтезировано 3 типа молекул: D-A1, D-π-A1 и D-A-π-A1, в которых в качестве донорных (D) фрагментов использовались N-замещенные индолины, аннелированные с алициклическими фрагментами, в качестве π-спейсера (π) были исследованы тиофен и 4,4-бис(2-этилгексил)-4H-циклопента[2,1-b:3,4-b']дитиофен (CPDT), в роли якорного (концевого) акцептора (А1) использовался фрагмент цианакриловой кислоты, а внутренним акцептором (А) выступал бензо[с][1,2,5]тиадиазол. Полученные красители позволили выстроить ряд соединений, отличающихся длиной цепи и числом фрагментов, а также строением каждого из них, исследовать влияния наличия внутреннего акцептора, длины цепочки и количества и расположения компонентов на спектральные и фотофизические свойства как самих красителей, так и сенсибилизированных красителем солнечных ячеек (СКСЯ) на их основе, тем самым приблизив понимание фундаментальной связи между структурой сенсибилизаторов и свойствами СКСЯ. Для всех полученных красителей были измерены электронные спектры поглощения и получены данные циклической вольтамперометрии, которые позволили вычислить значения граничных орбиталей и ширины запрещенной зоны. Также на основе новых сенснибилизаторов были сконструированы сенсибилизированные красителем солнечные ячейки, определены их важнейшие физико-химические характеристики, включая коэффициент преобразования энергии (РСЕ). Максимальное значение РСЕ для структурно более простых красителей типа D-π-A1 составило 4.64%, что лишь на 10% ниже этого параметра для аналогичного красителя типа D-A-π-A1. Основным выводом этой части работы является то, что постоянное усложнение структур красителей в погоне за незначительным увеличением значений РСЕ не всегда является оправданным, а сравнимые результаты могут быть получены и для более простых молекул, коммерческое получение которых более реализуемо. Другим практически важным результатом, открывающим широкие перспективы для получения не только красителей для СКСЯ, но и соединений для других областей химии материалов, является разработка введения сложносинтезируемого фрагмента 4,4-бис(2-этилгексил)-4H-циклопента[2,1-b:3,4-b']дитиофен (CPDT) методом прямой СН-активации, не требующей дополнительной функционализации субстратов. С помощью разработанного метода не только были синтезированы красители типа D-A-π-A1 на основе CPDT, но и получены ключевые кластеры π-A-π и π-A-π-A-π на основе бензо[c][1,2,5]тиадиазола в качестве внутреннего акцептора (А) для сенсибилизаторов более сложных типов D-π-A-π-A1 и D-π-A-π-A-π-А1 с донорными блоками, упомянутыми ранее. Таким образом, полученные результаты диктуют необходимость продолжения исследований в выбранном направлении, связанных с дальнейшим синтезом сенсибилизаторов более сложных типов, в том числе, с помощью расширения ряда внутренних акцепторных блоков, изучения спектральных и фотофизических свойств полученных красителей, а также конструированием и изучением характеристик СКСЯ на их основе.

 

Публикации

1. М.С. Михайлов, О.О. Устименко, Н.С. Гудим, Л.В. Михальченко, Е.А. Князева, О.А. Ракитин Новые красители для сенсибилизированных красителем солнечных батарей: влияние длины молекул на свойства ячеек ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК. СЕРИЯ ХИМИЧЕСКАЯ, - (год публикации - 2023)

2. Максим С. Михайлов, Ольга О. Устименко, Екатерина А. Князева, Олег А. Ракитин 4,4-Bis(2-ethylhexyl)-6-(9-(2-ethylhexyl)-2,3,4,4a,9,9a-hexahydro-1H-carbazol-6-yl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophene-2-carbaldehyde Molbank, 2022 (4), М1486 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/M1486