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

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 21-43-00051

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

Руководитель Пономаренко 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

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 слова сопряженные 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

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пономаренко С.А., Агина Е.В., Борщев О.В., Лупоносов Ю.Н. Новые органические полупроводники и люминофоры: от синтеза молекул к материалам и устройствам Всероссийский конгресс по химии гетероциклических соединений КОСТ 2021, Сборник тезисов, стр. 17 (год публикации - 2021)

2. Дядищев И.В., Лупоносов Ю.Н., Перегудова С.М., Сурин Н.М., Пономаренко С.А. Синтез и свойства сопряжённых узкозонных соединений – новых материалов для органической фотовольтаики Всероссийский конгресс по химии гетероциклических соединений КОСТ 2021, Сборник тезисов, стр. 199 (год публикации - 2021)

3. Папковская Е.Д., Дядищев И.В., Балакирев Д.О., Перегудова С.М., Сурин Н.М., Пономаренко С.А., Лупоносов Ю.Н. Synthesis and properties of new non-fullerene acceptors based on A-D-A conjugated oligomers for organic solar cells 3rd International School on Hybrid Organic and Perovskite Photovoltaics, Book of Abstracts, page 88 (год публикации - 2021)

4. Джи Ван, Иван Дядищев, Руи Сунь, Цян Ву, Яо Ву, Мэймэй Чжан, Светлана Перегудова, Сергей Пономаренко, Юрий Лупоносов, Джи Мин High-performance ternary solar cells by introducing a medium bandgap acceptor with complementary absorption, reducing energy disorder and enhancing glass transition temperature Journal of Materials Chemistry A, Volume 10, Number 33, Pages 17013–17340 (год публикации - 2022)
10.1039/d2ta04463c

5. Ван Вэй, Юань Гао, Яо Ву, Синьронг Ян, Чжихао Чен, Цзэн Чен, Тао Ван, Жуй Сун, Цян Ву, Сяотао Хао, Хаймин Чжу, Сергей Пономаренко, Юрий Лупоносов, Чжи Мин Molecular dyads with non-fused electron acceptor backbones for single-component organic solar cells Jornal of Materials Chemistry A, Том 10, Номер 36, Страницы 18753-18761 (год публикации - 2022)
10.1039/D2TA04310F

6. Папковская Е.Д. , Ван Дж. , Балакирев Д.О. , Дядищев И.В. , Бакиров А.В. , Лупоносов Ю.Н. , Мин Дж. , Пономаренко С.А. Improving the Efficiency of Organic Solar Cells via Molecular Engineering of Simple Fused Non-fullerene Acceptors Energies, т. 16, № 8, статья 3443 (год публикации - 2023)
10.3390/en16083443

7. Дядищев И.В., Бакиров А.В., Перегудова С.М., Пономаренко С.А., Лупоносов Ю.Н. NIR-absorbing donor-acceptor molecules based on fused thienopyrroloindole units Mendeleev Communications, Volume 33, Issue 3, May–June 2023, Pages 393-396 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mencom.2023.04.030

8. Ву Х., Ян Х., Шао Ю., Ван С., Чен М., Гао Ю., Ван Цзи, Пономаренко С.А., Лупоносов Ю.Н., Сун Р., Мин Дж. Layer-by-Layer-Processed Ternary All-polymer Organic Solar Cells with 17.74% Efficiency Enabled by introducing a designed narrow-bandgap guest polymer acceptor Solar RRL, Volume7, Issue11 June 2023, paper 2300064 (год публикации - 2023)
10.1002/solr.202300064

9. Ян X., Чен М., Ван С., Гао Ю., Шао Ю., Сюй Л.-Ю., Ву Ю., Ван Ю., Ашраф Р.Ш., Пономаренко С.А, Лупоносов Ю.Н, Мин Дж. The Application of Chlorine Substituted Conjugated Block Copolymers in the Single-Component Organic Solar Cells Giant, Volume 16, December 2023, paper 100191 (год публикации - 2023)
10.1016/j.giant.2023.100191

Публикации