[發明專利]一種含氮雜梯形稠環的受體材料、其制備方法及應用

在審

• 申請號: 202010152852.8
• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN113354663A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 鄭慶東;馬云龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院福建物質結構研究所
• 主分類號: C07D495/22
• 分類號: C07D495/22;H01L51/42;H01L51/46
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 劉潔;張瑩

本發明公開了一種含氮雜梯形稠環的受體材料、其制備方法及應用。該材料通過在稠環中心引入氮原子而增加共軛體系電子云密度，從而提高目標非富勒烯受體材料的最低未占據分子軌道能級，并拓寬材料的吸收光譜，這有利于在太陽能電池中同時獲得高開路電壓和大短路電流；其次，所述的非富勒受體避免了使用空間位阻過大的SP³雜化碳原子，這能夠促進分子骨架間的π?π堆積，提高目標受體材料的載流子傳輸性能；再次，通過在氮橋和中心苯環上的兩側同時各引入2個含支鏈烷基增加一定的空間位阻，可以在抑制目標受體材料在混合膜中的過分聚集的同時確保材料的良好溶解性能。

技術領域

本申請涉及含氮雜梯形稠環的小分子受體材料、其制備方法及在有機太陽能電池的電子受體材料方面的應用，屬于有機太陽能電池材料制備技術領域。

背景技術

有機太陽能電池是采用有機半導體材料來收集和轉化太陽能的一種電池器件。該類電池具有原材料豐富、成本低、制備工藝簡單等特點，在大面積工業化生產中具有明顯的優勢，因此成為光伏領域的研究熱點。

傳統有機太陽能電池的研究主要圍繞富勒烯衍生物類電子受體展開。然而，該類材料自身的缺陷，如在可見光區吸收能力弱以及電子能級和光學帶隙調控難等，在一定程度上限制了有機太陽能電池效率的進一步提升。目前，富勒烯類二元有機太陽能電池的效率仍低于12％(Zhao et al，Nature Energy，2016，1，15027)。為了解決上述問題，眾多新型非富勒烯小分子受體材料被陸續開發出來。基于非富勒烯受體材料的電池器件通常具有較寬的光譜吸收范圍和較低的能量損失，因而具有更高的器件轉換效率。例如單節非富勒烯太陽能電池在能量損失低至0.5eV條件下仍獲得了9.5％的轉化效率(Ma et al，Chemistryof Materials，2017，29，9775)。

為了進一步提升有機太陽能電池的光電轉換效率以滿足商業化應用需求，有必要設計并合成新型高效率非富勒烯小分子受體材料。一般認為引入SP³雜化的碳原子是獲得高性能非富勒烯小分子受體材料的必要條件。通過SP³碳原子上引入烷基側鏈可以在增加材料溶解性的同時抑制目標受體材料在混合膜中的過分聚集，從而獲得理想的活性層形貌。因此，目前對于非富勒烯小分子受體材料的研究主要集中在含SP³碳橋的梯形稠環分子材料體系。相比之下，以SP²雜化氮原子為橋的非富勒烯小分子受體材料卻鮮有報道。相對于SP³碳原子，SP²氮原子的引入能夠增強稠環富電子中間核的推電子能力，進而拓寬受體材料的吸收光譜，但是該類受體材料優異的剛性平面結構使其具有強烈的自聚集傾向，致使其活性層形成較大尺寸的相分離，最終導致器件性能較差。如何在含SP²氮原子的稠環體系中實現對共軛稠環分子聚集態的精確調控是有機光伏領域的一個挑戰。

發明內容

針對以上問題，本發明的第一個目的在于提供一種含氮雜梯形稠環的受體材料，該類材料具有寬的吸收光譜，合適的分子堆積性能和較高的載流子傳輸性能。

如何在含SP²氮原子的稠環體系中實現對共軛稠環分子聚集態的精確調控是有機光伏領域的一個挑戰。在本發明中，首次提出利用共軛稠環分子骨架上相鄰側鏈的空間位阻來調控分子聚體態行為。發明人在實現本發明的過程中意外發現：當相鄰的側鏈都是空間位阻小的直鏈烷基時，材料分子結晶好、聚集嚴重，材料光伏性能差；而當相鄰的側鏈都是空間位阻大的含支鏈烷基時，材料分子的結晶性降低，嚴重聚集獲得明顯改善，材料光伏性能大幅度提高。發明人通過大量實驗得到了適當的側鏈優化方案，可以獲得與給體聚合物具有合適相分離尺寸的非富勒烯小分子受體材料。與含SP³碳原子的梯形稠環分子受體材料相比，該類新型含氮雜梯形稠環的受體材料具有更高的載流子遷移性能，因而具有更好光伏性能。

所述含氮雜梯形稠環的受體材料，所述含氮雜梯形稠環的受體材料具有式I、式II所示結構中的至少一種：

其中：