JACS：高效、超稳定的单线态激子裂分材料

单线态激子裂分（Singlet Fission）是有机半导体材料吸收一个高能光子、产生一个高能单线态激子并将其转化为两个三线态激子的过程。将此过程应用在光伏器件中，可以有效降低热损耗的同时，使得器件内光电流增倍，从而可能大幅度提高光电转化效率。然而，目前的研究主要集中在以并四苯和并五苯为代表的并苯及其衍生物中，这些化合物存在着广受诟病的稳定性和毒性问题，限制了其进一步器件应用。因此，设计发展新型高效稳定、适合器件应用的激子裂分材料成为该领域的研究热点。近日，太原理工大学王龙博士、首都师范大学/天津大学付红兵教授和厦门大学朱军教授联合报道了一类具有强蓝绿光吸收、适合三线态能级、高效稳定的激子裂分材料，并据此发展了自适应芳香性超稳定激子裂分材料的设计策略。

图1. 高效稳定、适合器件应用的新型激子裂分材料。

图2. 时间分辨的瞬态光谱和稳定性测试表征。

通过稳态光谱和时间分辨瞬态光谱等表征手段，作者证实该多环骨架具有强蓝绿光吸收、适合的三线态能级和高效的激子裂分过程，实现了173%的三线态产率。以并五苯作为对照组的稳定性试验显示，薄膜样品在室温环境放置50天依然保留93%以上的吸光值，具有超好的稳定性。这些特征使得该激子裂分材料体系具有非常广阔的应用前景。

在此基础上，通过芳香性研究发现该多环骨架体系具有独特的自适应芳香性（Adaptive Aromaticity），即基态（S₀）和三线态（T₁）均具有芳香性特征。这就赋予了该材料在不影响材料稳定性的前提下，能够同样实现高效的激子裂分性质。据此，作者提出了自适应芳香性超稳定激子裂分材料的设计原则，为发展新的材料体系提供了指导原则和理论依据【自适应芳香性的概念由论文通讯作者之一的朱军教授提出（Commun. Chem., 2018, 1, 18; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 5720-5727; Theor. Chem. Acc., 2020, 139, 21）】。

图3. 激子裂分体系的自适应芳香性特征。

相关研究成果在线发表于Journal of the American Chemical Society 上。太原理工大学王龙博士、首都师范大学/天津大学付红兵教授和厦门大学朱军教授是该论文的共同通讯作者，厦门大学化学化工学院博士生林璐提供了理论计算支持。该研究得到科技部、国家自然科学基金委、万人计划等项目的支持。王龙博士和付红兵教授研究团队一直专注于单线态激子裂分材料的研究，先后发展了基于戊搭烯（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 9400-9404; J. Chem. Phys., 2019, 151, 124701; Sci. China Chem., 2019, 62, 1037-1043）、异源二聚体（J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 5609-5615）和异靛蓝（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2003-2007）等骨架化合物的高效激子裂分材料体系，为新型太阳能电池材料的设计开发和器件应用提供了新的思路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Singlet Fission in a Pyrrole-Fused Cross-Conjugated Skeleton with Adaptive Aromaticity

Long Wang*; Lu Lin; Jingjing Yang; Yishi Wu; Hua Wang; Jun Zhu*; Jiannian Yao; Hongbing Fu*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c00089

王龙博士简介

王龙，太原理工大学助理研究员。2013年硕士毕业于兰州大学，导师王锐院士。2019年于中国科学院化学研究所取得博士学位，师从姚建年院士和付红兵教授。2019年8月起就职于太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室。研究领域是有机半导体材料设计合成与激发态光物理研究。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci. China Chem.、J. Phys. Chem. Lett.、Chem. Commun.等国内外著名期刊发表学术论文10余篇。

导师介绍

付红兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/15493

朱军

https://www.x-mol.com/university/faculty/65935

参考文献：

1. Commun. Chem. 2018, 1, 18;

https://www.nature.com/articles/s42004-018-0018-y

2. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 5720-5727;

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b11564

3. Theor. Chem. Acc. 2020, 139, 21

https://link.springer.com/article/10.1007/s00214-019-2537-8

4. Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 9400-9404;

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201704668

5. J. Chem. Phys. 2019, 151, 124701;

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5097192

6. Sci. China Chem. 2019, 62, 1037-1043;

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCC/62/8/10.1007/s11426-019-9482-y?slug=fulltext