有机分子中的单线态裂分近年来受到了广泛的重视。单线态裂分是指光照条件下,一个高能的单线态激子裂分成两个低能三线态激子的过程。如果将单线态裂分材料应用于单节太阳能电池中,电池的最大理论转化效率可以提高至44%。目前可以发生有效单线态裂分的材料还非常有限,对影响单线态裂分的关键因素还有待深入研究。本论文的主要目的是理解不同因素对稠环分子单线态裂分效率的影响机制。在合成一系列具有不同结构的杂环并五苯衍生物的基础上,系统地考察了不同分子的单线态与三线态能级,应用飞秒与纳秒瞬态吸收技术研究了不同分子在无序状态下的单线态裂分效率,揭示了热力学驱动力对稠环分子单线态裂分效率的影响规律。具体的工作内容包括以下几个方面:1.合成了一系列杂环并五苯衍生物,并系统地研究了杂环并五苯衍生物的光谱性质,成功地确定了其三线态能级。由于自旋禁阻的原因,有机小分子的磷光很难检测到。在本工作中,我们成功在液氮温度下获得了一系列杂环并五苯衍生物的近红外磷光光谱,并确定了相应三线态能级的位置。本工作对研究杂环并苯分子的激发态性质具有指导意义。2.研究了一系列杂环并五苯衍生物在超浓溶液中的单线态裂分,揭示了杂环并五苯体系中热力学驱动力与三线态产率的关系。单线态激子和两个三线态激子之间的能量提供了单线态裂分过程的驱动力。我们选取了五个杂环并五苯衍生物,系统研究了单线态裂分驱动力与三线态产率之间的关系。使用飞秒与纳秒瞬态吸收光谱对0.02 M及0.05 M的浓溶液进行系统测试,确定了单线态裂分条件下的三线态产率。研究结果揭示,大的驱动力并不一定导致高的三线态产率。相反,过多的放热反而会促进与单线态裂分竞争的其他途径而降低三线态产率。因此,在设计合成新型有机高效单线态裂分材料时,需要考虑单线态裂分驱动力的大小。此发现为设计合成新型高效的单线态裂分材料提供了理论指导。3.制备了杂环并五苯材料的纳米粒子,并考察了纳米粒子中的单线裂分过程,观测到有机纳米粒子中的光限幅效应。通过对纳米粒子的电子光谱进行研究,发现纳米粒子中存在两种不同的相互作用。一类纳米粒子中分子与分子之间呈无序排列且相互作用力较弱;另一类纳米粒子中分子与分子之间呈有序排列且相互作用力较强。瞬态吸收谱光谱的测试显示有机纳米粒子具有比溶液中更长的三线态寿命,揭示可能发生了单线态裂分过程。Z-Scan技术表明纳米粒子显示出了显著的光限幅性质。4.组装了包含并五苯衍生物的太阳能电池器件,对其光电转化性能进行了研究。为了探索单线态裂分材料在光电转换器件中的应用,我们组装了包含并五苯衍生物的有机太阳能电池:ITO/PEDOT:PSS/P3HT/TP/C₆₀/BCP/Ag,得到的光电转化效率接近1%。表明如果希望将单线态裂分材料应用于光电转换器件中,对器件的结构需要进一步的优化。