ИСТИНА

Проект направлен на создание новых материалов с электронным типом проводимости на основе высокорастворимых олигомерных производных фуллеренов, перспективных в качестве акцепторных компонентов для конструирования солнечных фотоэлементов (СФЭ) с объемным гетеропереходом. Применение олигомерных производных фуллеренов позволит повысить подвижность носителей заряда (из-за лучшей коммуникации ковалентно связанных фуллереновых сфер), а также промотировать упорядочение полимерных доменов, выступая в роли жестких протяженных каркасных структур, ориентирующих полимерные цепи. Ранее коллективом авторов проекта был разработан метод синтеза двухсферных производных фуллерена С60, в которых фуллереновые остовы связаны циклобутановым и пирролизидиновым фрагментом. Наличие вариабельной сложноэфирной группы, присоединенной к пирролизидиновому фрагменту обеспечивает возможность тонкой настройки физико-химических свойств. Высокая растворимость и низкая энергия реорганизации делают данный класс соединений перспективным в качестве акцепторного материала для конструкции СФЭ, что было подтверждено в ходе предварительных испытаний. В проекте планируется синтезировать ряд димерных производных фуллеренов, содержащих различные сложноэфирные фрагменты и модифицированные фуллереновые остовы, а также ряд олигомерных производных фуллеренов, содержащих три и более фуллереновых сферы. Уникальной особенностью последних является возможность получения ковалентно связанных смешанных каркасных структур, содержащих одновременно как остовы немодифицированных фуллеренов различного строения, так и гетерофуллерены или эндоэдральные фуллерены. Свойства подобных гетероядерных олигомеров практически не изучены и представляют научный интерес. В результате выполнения проекта будут разработаны методы синтеза и получены высокорастворимые олигомерные производные фуллеренов, установлены особенности их молекулярного и электронного строения, исследованы электрохимическое поведение и спектральные свойства для представительного ряда новых соединений. Олигомерные производные фуллеренов, найденные перспективными для фотовольтаических приложений, будут использованы для конструирования СФЭ, будет установлено влияние строения фуллеренового компонента на морфологию объемного гетероперехода, определены характеристики опытных органических СФЭ. Результатом выполнения проекта станут новые знания о строении и свойствах олигопроизводных фуллеренов, будут созданы новые фотоактивные материалы, определены их фотоэлектрические характеристики, а также будет раскрыт их прикладной потенциал для органической электроники.

В проекте впервые будет решена задача синтеза высокорастворимых олигомерных производных фуллеренов, связанных компактным пироллизидиновым фрагментом и содержащих две и более фуллереновых сферы; впервые будут синтезированы и спектрально охарактеризованы аналогичные олигомеры, содержащие структурно модифицированные углеродные каркасы и инкапсулированные металлокластеры. Успешное выполнение синтетических работ проекта позволит впервые исследовать фотовольтаическую активность новых функциональных материалов на основе высокорастворимых олигомерных производных фуллеренов. Впервые будет исследована взаимосвязь между фотовольтаическими свойствами и особенностями их молекулярного и электронного строения высокорастворимых олигомеров фуллеренов. В результате проекта будут получены следующие научные результаты: 1) Будут разработаны и оптимизированы методы синтеза высокорастворимых димерных и олигомерных производных фуллеренов, а также развиты методы их дальнейшей функционализации. 2) На основе фуллеренов С60, С70, эндоэдральных металлофуллеренов и структурно-модифицированных фуллеренов будет синтезирован ряд новых высокорастворимых димерных и олигомерных производных фуллеренов. 3) Молекулярное строение впервые синтезированных соединений будет установлено методами спектроскопии ЯМР на ядрах 1H и 13С, а также методом РСА. 4) Методами ЦВА и квантово-химического моделирования будут установлены особенности электрохимического поведения и электронного строения олигомерных фуллеренов, включая энергетические уровни НВМО и ВЗМО, сродство к электрону. Будет рассчитана энергия реорганизации олигомерных производных фуллеренов в процессах переноса электрона. На основании полученных данных будут сделаны выводы о влиянии особенностей молекулярного строения олигомерных производных фуллеренов на их электронное строение. 5) На основе высокорастворимых олигомерных производных фуллеренов будут сконструированы полимерные СФЭ и определены их характеристики. Будет осуществлена оптимизация протоколов конструирования опытных фотоэлементов. На основании полученных данных будет определено влияние структурной модификации каркаса, инкорпорирования металлокластера и степени олигомеризации на эффективность работы устройств.

Коллектив участников проекта имеет большой опыт в разработке методов синтеза, структурной идентификации и исследовании физико-химических и электрохимических свойств фуллеренов и их экзо- и эндоэдральных производных, а также экспериментальном и теоретическом исследованиях трансформаций углеродного скелета фуллеренов. Ранее участниками проекта был разработан метод синтеза эфиров бисферных производных фуллерена С60, исследованы их оптические и электрохимические свойства. Разработанный метод основан на литий-активированной реакции [2+3] циклоприсоединения к фуллерену генерируемых in situ азометинилидов из соответствующего эфира глицина и параформальдегида и позволяет с хорошим выходом (58-71%) синтезировать бисфероидные производные фуллерена С60. Электрохимическое поведение и потенциалы восстановления были установлены методами циклической вольтаперометрии. Участниками проекта было показано, что характеристики работы СФЭ с активным слоем, состоящим из децилового эфира бисферного производного фуллерена С60 и P3HT, сравнимы с устройствами на основе PCBM. Варьированием состава, а также протокола приготовления и обработки фотоактивного композиционного материала на основе н-децилового эфира бисферного производного фуллерена С60 и полимера P3HT, было установлено, что наилучшие характеристики его функционирования в СФЭ достигаются при массовом соотношении P3HT/акцептор 2.5:1, соответственно, после термической обработки фотоактивного слоя при 110 С. Достигнутое значение КПД составило 1.5% и было близко к КПД опорного СФЭ на основе PCBM/P3HT (2.1%, пониженный КПД опорного элемента, по сравнению с литературным данными, связан с недостаточно высоким качеством используемого P3HT), что является высокой величиной для бисферных фуллереновых производных. Позже, при использовании более качественного полимера P3HT, СФЭ на основе децилового эфира бисфероидного производного фуллерена С60 продемонстрировали КПД 2.3 %.