[發明專利]一種可溶液加工的有機共軛分子及在太陽能電池中的應用

無效

• 申請號: 201010130635.5
• 申請日: 2010-03-24
• 公開（公告）號: CN101787020A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 田文晶;李在房;徐斌;李耀文;裴佳寧
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C07D417/14
• 分類號: C07D417/14;C07D409/14;C07D309/34;C07D405/14;H01L51/42;H01L51/46
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種基于2-吡喃-4-亞基丙二氰為基本結構單元的有機共軛分子及該有機共軛分子在體異質結太陽能電池中的應用。

背景技術

隨著煤、石油等一次能源的逐漸枯竭，人類迫切需求環境友好的可再生能源。太陽能電池可將太陽能直接轉換為電能，是利用太陽能的最有效方式。

1954年美國貝爾實驗室成功研制出第一塊單晶硅太陽能電池，開啟了人類利用太陽能發電的一扇大門。1958年太陽能電池首先在航天器上得到應用。20世紀70年代初，太陽能電池開始在地面應用。但制備工藝繁雜、成本高、對環境污染嚴重等，在一定程度上限制了基于硅材料的太陽能電池的更廣泛應用。

基于有機高分子和有機小分子材料的太陽能電池因其制備工藝簡單(如可旋涂、噴墨打印等)、廉價、易于實現大面積及柔性等優點，而倍受人們的關注。相比較而言，可溶性有機小分子由于具有明確的分子結構，固定的分子量，較高的純度和較好的重復性等優點，越來越受到人們的青睞。2005年，朱道本院士等人通過旋涂的方法將BDHT作為活性層應用到有機小分子太陽能電池中，取得了0.03％的光電轉換效率；2007年，李永舫教授等人將基于三苯胺和DCM單元構建的小分子作為給體材料，以PCBM為受體通過旋涂的方法制得的體異質結太陽能電池，取得了0.79％的光電轉換效率；2009年，田文晶教授等人將DADP應用于有機小分子太陽能電池，取得了1.50％較高光電轉換效率。2009年，Nguyen等人將有機小分子SMDPPEH應用于有機體異質結太陽能電池中，取得了3.0％的光電轉換效率。

目前，基于可溶液加工的有機小分子太陽能電池的光電轉換效率已經超過了4％。但相對于有機聚合物太陽能電池而言，有機小分子太陽能電池的仍然存在很多不足之處。其中，吸收光譜與太陽光譜不匹配是首要的因素。而具有給受體結構的有機共軛分子由于可以通過引入不同的給受體基團，來調節分子的共平面性、分子內電荷轉移(ICT)強度，從而調節分子的吸收性質、能級結構以及載流子遷移率等，因而成為一類極具發展潛力的有機小分子太陽能電池材料。

發明內容

本發明的目的是提供一系列可以通過選擇不同的給體單元與具有較強吸電子能力的2-吡喃-4-亞基丙二氰(受體)結合，從而實現低HOMO能級(高開路電壓和高穩定性)、窄帶隙、寬吸收、高遷移率的給受體有機共軛分子，并將此類有機共軛分子用于制備太陽能電池。

使用本發明所述的材料，可以簡化器件制備工藝，以適應器件的工業化批量生產需要。

經研究發現，以2-吡喃-4-亞基丙二氰為受體的給受體有機共軛分子具有優良的太陽能電池性能。

本發明所述的基于2-吡喃-4-亞基丙二氰的給受體有機共軛分子如通式(I)所示：

通式(I)代表以2-吡喃-4-亞基丙二氰為受體的給受體有機共軛分子的基本結構骨架，D代表3，4-二正烷基(C₆-C₁₃)噻吩、對二正烷氧基(C₆-C₁₃)苯、10-正烷基(C₆-C₁₃)吩噻嗪、9-正烷基(C₆-C₁₃)咔唑、三苯胺。D^*代表噻吩、連二噻吩、三連噻吩、9，10-二烷基(C₄-C₉)芴、10-正烷基(C₆-C₁₃)吩噻嗪、三苯胺、9-正烷基(C₆-C₁₃)咔唑。

其示例分子式如下所示，

其中10≥n≥4，即碳原子的個數為4到10，氫原子的個數為9到21。

制備2-吡喃-4-亞基丙二氰共軛齊聚物按如下反應模式進行：

反應模式中，含2-吡喃-4-亞基丙二氰的雙溴單體和化合物D^*的單硼化或者單錫化單體在甲苯/碳酸鉀(K₂CO₃)或者甲苯/N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，以四三苯基膦鈀(Pd(PPh₃)₄)為催化劑，在加熱條件下發生Suzuki或者Stille反應，可獲得目標化合物(I)。

進一步地，當D為取代噻吩，D^*為三苯胺時，其結構式如下所示：