[發明專利]一種不對稱A-D-A型共軛小分子及其中間體和應用

有效

• 申請號: 201810595645.2
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN108912140B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 楊楚羅;高威;謝東君;羅正輝
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C07D495/22
• 分類號: C07D495/22;H01L51/46
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 馬麗娜

本發明公開了一種不對稱A?D?A型共軛小分子及其中間體和應用，利用具有非對稱梯形共軛化合物作為電子給體，茚二酮和噻吩并環戊二酮的衍生物作為電子受體，合成不對稱A?D?A型共軛小分子。這類分子具有較好的溶解性和熱穩定性，適用于大面積低成本的溶液加工和噴墨打印的加工方法。本發明中的不對稱A?D?D型共軛小分子具有較高的摩爾消光系數和很寬的吸收光譜，較大的電子遷移率和合適的最低未占有軌道能級和最高占有軌道能級，并且不對稱的中間核能加強分子間的相互作用，可作為電子受體應用在非富勒烯有機聚合物太陽能電池中。基于該類小分子的太陽能電池可以實現較高的電壓、電流、填充因子和光電轉換效率。

技術領域

本發明屬于有機光電材料領域，涉及一種具有不對稱A-D-A型共軛小分子及其在有機光伏中的應用。

背景技術

能源危機和環境污染是兩個全球性的問題，尋找清潔可再生能源是解決問題的關鍵。太陽光輻射蘊含著巨大的能量，取之不盡、用之不竭，利用太陽能發電是一種行之有效的方法。我們將光能轉換為電能的裝置稱之為太陽能電池。目前，基于單晶硅的無機太陽能電池已經應用于生產，其具有光電轉換效率高、使用壽命長等優點，但其制作工藝復雜，成本昂貴并不能大規模生產。相比于無機太陽能電池，有機太陽能電池可以進行溶液加工(如旋涂和噴墨打印)，具有成本低、面積大、質量輕、柔性等優勢，擁有很大的商業應用潛力。有機太陽能電池的活性層采用本體異質結的結構來促進激子分離，其中包含兩種材料，即電子給體和電子受體。在之前的研究中常常使用富勒烯衍生物作為電子受體，主要是由于其具有較高的電子遷移率、三維電子傳輸和普遍適用性。但是富勒烯衍生物在可見光區吸收弱，能級和吸收難調，結構修飾困難，容易熱聚集且生產成本高，難以投入實際應用。探尋新型共軛小分子來代替富勒烯受體是實現有機太陽能電池應用的一種有效的途徑。

非富勒烯小分子受體一般采用A-D-A型共軛結構，因為兩個強吸電子基團可以使整個小分子形成較強的分子內電荷轉移態來降低能隙，增加對可見光區太陽光的吸收，這樣可以保證較大的短路電流。中間給電子單元使用具有較大共軛平面的稠環梯形共軛化合物來增強分子間的π-π堆積，從而促進載流子的傳輸。另外，稠環梯形共軛化合物的兩個sp³碳原子上連接的四條側鏈能夠提供較好的溶解性并且能夠抑制分子間的強烈堆積，防止活性層過度地相分離。同時，這種A-D-A型共軛小分子還具有較高的最低未占有分子軌道能級和較深的最高占有軌道能級，能實現較高的開路電壓。這類分子結構易修飾，合成產率高，分離純化容易，成本相對于富勒烯受體大幅下降。目前，基于非富勒烯小分子受體的有機聚合物太陽能電池的效率已經突破13％。然而，基于對稱結構的小分子受體材料的有機聚合物太陽能電池的填充因子一般在很難超過70％，給實際的應用帶來了很大限制。

發明內容

本發明的首要目的在于提供一種以不對稱稠環梯形共軛化合物為中心核制備的一種不對稱A-D-A型共軛小分子，其能量轉換效率超過13％，有機聚合物太陽能電池的填充因子高達79％。

本發明的再一目的在于提供上述不對稱A-D-A型共軛小分子的中間體—一種不對稱稠環梯形共軛化合物。

本發明的又一目的在于提供上述不對稱A-D-A型共軛小分子作為小分子受體材料的應用。

本發明提供的技術方案具體如下：

一種不對稱梯形共軛化合物，包括如下結構的化合物：

相對于對稱的梯形共軛化合物，本發明提供的不對稱梯形共軛化合物具有中心不對稱的結構。它的通用合成方法可以通過調控三種反應物的比例和滴加速度，通過一鍋法高效的得到不對稱的中間體，在通過格氏試劑雙加成反應和分子內傅-克環化反應得到不對稱梯形共軛化合物。

本發明提供的不對稱A-D-A型共軛小分子，以不對稱梯形共軛化合物為給電子中心核，以茚二酮和噻吩并環戊二烯衍生物為封端基團，具有較好的平面性和較強的給電子能力，包括化合物1～化合物16：