[發(fā)明專利]一種引達省A-D-A型小分子化合物及其制備方法

有效

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• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107814811B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設計）人: 王維平;高潮;叢志遠;武海梅;趙寶鋒;劉建群;劉紅利
• 申請（專利權）人: 西安近代化學研究所
• 主分類號: C07D495/04
• 分類號: C07D495/04;H01L51/46
• 代理公司: 11011 中國兵器工業(yè)集團公司專利中心
• 代理人: 梁勇

本發(fā)明公開了一種引達省A?D?A型小分子化合物及其制備方法，以及作為光活性層材料在有機光伏器件中的應用。該類化合物具有以下通式結構：其基于引達省(茚并二噻吩)稠環(huán)作為給電子單元(D)，以噻吩環(huán)為橋連單元，在噻吩環(huán)的4位引入拉電子單元(A)，利用A單元在噻吩取代位置差異，調節(jié)材料的HOMO能級和吸收特性，從而獲得增強的光電轉換效率。

技術領域

本發(fā)明屬光電功能材料領域，具體涉及一種引達省A-D-A型小分子化合物及其制備方法，以及該類分子作為光活性層中的n型材料在有機光伏(OPV)器件中的應用。

背景技術

太陽能電池是一種能將太陽能直接轉化為電能的光電器件，其中有機太陽能電池擁有成本低、重量輕、柔性、可溶液加工并且可以大面積制備等優(yōu)點，已經(jīng)成為光伏研究中最為活躍的領域之一，發(fā)展迅速，當前該領域研究的焦點是開發(fā)高效的給體和受體材料作為光活性層，應用于器件中來提高器件光電轉換效率。目前光活性層材料的研究前期主要集中于富勒烯及其衍生物，但是富勒烯及其衍生物有一定缺點，如可見光區(qū)吸收較弱、能級調控困難、溶解度差不利于純化等[G.Li,R.Zhu,Y.Yang Nat.Photonics 2012,6,153.]。近年來，非富勒烯類小分子電子受體材料因為其能級可調、合成簡便、制作成本低、溶解性能優(yōu)異等吸引了眾多關注，主要有基于酰亞胺、芴基衍生物、苯噻唑、吡咯并吡咯二酮、并五苯等新型n-型電子受體材料用于光伏電池，此類材料在太陽光光譜中比富勒烯及其衍生物材料具有更寬的吸收范圍。但是大多此類材料在制作OPV器件時有能隙較寬、電荷傳輸速率較低、薄膜形態(tài)不易調控等缺點。2015年Zhan等[J.Mater.Chem.A.2015,3:1910]合成了基于二噻吩并引達省受體分子，稠環(huán)有利于π共軛框架的延伸，得到高的電子遷移率，且這類分子的推拉結構，能誘導更高效的分子內電荷轉移，從而拓寬材料的吸收光譜，其與窄帶系的給體聚合物材料PTB7-Th共混，器件效率達到了6.31％。目前小分子受體材料研發(fā)與富勒烯受體材料已經(jīng)旗鼓相當，用于制備光伏器件取得了理想的轉換效率，作為電子受體用于制備有機光伏電池，其性能已經(jīng)達到甚至超越富勒烯類電子受體。

為了進一步拓寬這類A-D-A型小分子的吸收波段，Hou等人報道了具有近紅外吸收特性的A-D-A型非富勒烯受體材料[Adv.Mater.2016,28,8283-8287]，由于這類材料的吸收光譜處于近紅外波段，難以找尋吸收光譜匹配性好的單一聚合物給體材料與之形成光譜互補，應用于兩元共混的單層有機光伏電池中取得的光電轉換效率一般小于10％，通過引入第二種聚合物給體或者第二種受體材料的方法實現(xiàn)光譜匹配，能夠將光電轉換效率進行提升。但是第三組分的引入使得調節(jié)活性層形貌和結晶性、三元組分表界面以及能級匹配等較為復雜，也增加了電池制備工藝的難度。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術存在的缺陷或不足，本發(fā)明提供一種引達省A-D-A型小分子化合物，以滿足光伏電池光活化層電子受體材料的需要，這種結構可以實現(xiàn)對光電性能的調節(jié)，以滿足光伏電池光活化層電子受體材料的需要，將其用于高效有機光伏電池，利用位阻效應、取代基的推拉電子特性等，調節(jié)材料的HOMO和LUMO能級以及光譜吸收范圍，實現(xiàn)器件光電轉換效率的提升。

為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明設計的引達省A-D-A型小分子化合物通式結構如下：

其中，R₁獨立地為氫原子、碳原子數(shù)為1～20的烷基、碳原子數(shù)為1～20的烷氧基、碳原子數(shù)為1～20的烷基酯基，R₂獨立地為碳原子數(shù)為1～20的烷基、碳原子數(shù)為1～20烷基或烷氧基取代的苯基、碳原子數(shù)為1～20烷基或烷氧基取代的噻吩基，其中拉電子單元A₁及A₂為獨立自選如下結構之一：

A₁及A₂結構中R₃為碳原子數(shù)為1～12的烷基。