將太陽能轉換成電能的光伏電池是目前解決全球能源和環(huán)境挑戰(zhàn)的清潔可再生的最有效方式之一。但是，單結太陽能電池的光電轉換效率極限（Shockley-Queisser，SQ極限）從根本上限制了光伏電池的進展。單線態(tài)裂分（Singlet Fission，SF）是有機半導體中一種有效的多激子生成過程，通過該過程，光激發(fā)的高能級單重態(tài)激子（S₁態(tài)）可以轉換為雙倍的低能級三重態(tài)激子（T₁態(tài)）；雙倍的T₁態(tài)激子隨后彼此分離獨立存在于光伏器件中，使得器件內(nèi)光電流增倍，從而克服單結太陽能電池的SQ極限。然而，由于苛刻的熱力學要求，不僅具有SF能力的有機材料數(shù)量相當有限，而且限制了SF過程在諸如開關之類的電子小型化器件開關領域中的自由切換。

近期，我院徐紅亮、蘇忠民團隊在《美國化學會志》發(fā)表研究成果“Hydrogen Migration-Triggered Diradicaloid Singlet-Fission Switch”提出在四氮雜并苯的雙氫異構體中實施遷移氫原子策略，設計系列雙自由基SF開關。第一作者是課題組博士研究生李晴，目前在清華大學從事博士后研究工作?；搓帋煼秾W院闞玉和教授為共同通訊作者。

通過AICD、y₀以及TDM等表征手段證實：基態(tài)時，遷移單個氫原子可以增加體系的定域電子分布區(qū)域，從而切換得到雙自由基體系；T₁態(tài)時，電子-空穴相關區(qū)域決定E(T₁)能級高低，單氫原子遷移可以增加體系的共軛π電子區(qū)域，使共軛π電子區(qū)域完全參與S₀→T₁躍遷的電子-空穴相互作用，從而降低E(T₁)能級。另外，作者考慮到：體系的雙自由基程度不宜過大以免不利體系穩(wěn)定存在, 同時吡嗪融合環(huán)間應滿足適當距離以利于氫原子遷移，最重要的是，具有SF性質的單氫原子NH異構體的ΔE₁(E(S₁) – 2E(T₁))應盡可能趨近于零，從而確保SF衍生物具有高效率的三重態(tài)量子產(chǎn)率。基于以上考慮，作者篩選出吡嗪融合環(huán)距離小于三個六元環(huán)的開關體系作為合理的雙自由基SF開關。而且從實驗合成角度出發(fā)，通過熱力學計算給出氫遷移異構化反應溫度并證實溫控技術控制氫互變異構開關的可行性，詳細分析了該類雙自由基SF開關在合成應用時應當考慮的實際問題，為實驗研究人員提供合理反應溫度的依據(jù)，也為實驗設計合成高效率雙自由基SF開關提供了重要理論依據(jù)和指導。

該研究得到國家自然科學基金委、吉林省科技發(fā)展計劃和中國博士后科學基金等項目的支持。

文章信息：Q. Li, Y.-H Kan*, H.-L. Xu*, Z.-M. Su*“Hydrogen Migration-Triggered Diradicaloid Singlet-Fission Switch”J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 27, 11791-11803.

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02778