[發明專利]含有苯并二噻吩七并稠環主鏈扭曲型小分子近紅外吸收材料、制備方法及應用

在審

• 申請號: 202010968930.1
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN112209946A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 叢志遠;高潮;劉紅利;王維平;劉建群;趙寶鋒;武海梅
• 申請（專利權）人: 西安近代化學研究所
• 主分類號: C07D495/22
• 分類號: C07D495/22;H01L51/42;H01L51/46
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 王孝明

本發明提供了一種含有苯并二噻吩七并稠環主鏈扭曲型小分子近紅外吸收材料、制備方法及應用，本發明的小分子近紅外吸收材料以苯并二噻吩作為富電單元，兩側缺電單元連接于噻吩橋連單元的4?位，可以實現對光電性能的調節，拓寬并增強吸收光譜，抬升LUMO能級，滿足光伏電池光活化層電子受體材料的需要。該類小分子受體具有提升光伏器件效率的應用潛力，通過進一步選擇合適的給體，以及器件工藝的改進，基于苯并二噻吩扭曲型小分子受體的器件效率有望進一步提升。該材料的結構通式如式Ⅰ所示：

技術領域

本發明屬于有機光電功能材料領域，涉及近紅外吸收材料，具體涉及一類含有苯并二噻吩七并稠環主鏈扭曲型小分子近紅外吸收材料、制備方法及應用。

背景技術

當前，有機太陽能電池因具有重量輕、成本低、可溶液加工、可制備成柔性器件等特點，已經成為光伏電池研究領域中最為活躍的方向之一。具有光吸收特性的光活性層材料是有機太陽能電池的關鍵光敏層，其性質決定著電池器件對太陽光的有效吸收、激子的產生和擴散、電荷的分離和輸運，并最終決定著電池的光電轉換效率。

光活性層是由電子給體材料和電子受體材料組成的本體異質結結構，作為優良的光活性層，需要給體和受體在吸收和分子能級方面具有如下特性：(1)具有寬而強的吸收光譜，有效利用太陽光以產生光生激子。由于太陽光譜的大部分輻射強度位于可見-近紅外區，而單一材料的吸收范圍有限，很難覆蓋主要的太陽光譜區，因此，給體與受體光吸收的互補性尤為重要，其中之一應具有寬至近紅外區的光吸收能力。(2)給體材料的最高占有分子軌道(HOMO)能級與受體材料的最低空軌道(LUMO)能級差應足夠大，從而確保足夠大的器件開路電壓。這意味著給體應具有較低的HOMO能級，而受體材料具有較高的LUMO能級。在2015年之前的有機光伏電池研究中，通常以共軛聚合物作為電子給體，以富勒烯衍生物，如PC₆₁BM、PC₇₁BM等作為電子受體，基于聚合物/富勒烯體系的有機太陽能電池的效率可突破11％[Nature Energy,2016,1,15027]。值得提出的是，富勒烯及其衍生物雖然有高的電子傳輸性，但同時也有其固有的缺點，包括：制備難度大、成本高、在可見光區吸收弱、能級難以靈活調控、在一般溶劑中溶解性差、容易聚集形成大的相分離等[Nat.Photonics 2012,6,153]，這些缺點制約著基于富勒烯衍生物的有機太陽能電池性能的進一步突破。在富勒烯被廣泛研究和使用的同時，非富勒烯類小分子電子受體材料也引起廣泛關注，并成為近幾年的研究熱點。這類小分子受體材料具有如下特點：可采用常規的有機合成方法制備、帶隙窄、在長波方向有強吸收、結構和能級可方便調節、溶解性能優異等優點。其中苝二酰亞胺(PDI)是有機太陽能電池領域被研究最早的一類材料，相比富勒烯衍生物，苝二酰亞胺類受體具有優良的光吸收特性、較高的電子遷移率、可調的最高占有分子軌道(HOMO)和最低空軌道(LUMO)能級、與富勒烯相當的電子親和能，并且可以通過簡單地修飾改變母核以及側位取代基，從而得到一系列具有優良光電性能的n-型電子受體材料[Adv.Mater.2010,22,3876]，但是此類材料較寬的帶隙以及在共混膜中易聚集的性質限制了其廣泛應用；除此之外，并五苯類及其衍生物也可用作受體材料，其易于通過化學修飾調控薄膜形態，以提高電荷傳輸速率[Adv.Energy.Mater.2011,1,431]；而基于苯并噻二唑類材料制作的光伏器件，同樣表現出良好的電子傳輸性能[Adv.Energy Mater.2013,3,54]；吡咯并吡咯二酮[J.Mater.Chem.2010,20,3626]具有寬的光吸收范圍，同時具有優異的電化學性能、熱力學穩定性和機械加工性能，可以滿足制作有機電子器件的工藝要求。占肖衛等于2015年開發了基于二噻吩并引達省類電子受體分子，稠環延伸了π共軛框架，得到高的電子遷移率。因其分子的電子推拉結構，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，將其與窄帶隙的給體聚合物材料PTB7-Th共混，器件效率達到了6.31％[J.Mater.Chem.A.2015,3,1910]。該類二噻吩并引達省型小分子受體材料通常具有五并稠環或七并稠環的結構，另外，該類材料兩側端基缺電單元可與共混膜中的給/受體分子發生π-π交互作用，形成分子間的電子傳輸通道[Adv.Mater.2017,29,1700254]，因其這些優異的性能而引起了廣泛關注。以該類材料作為電子受體制備有機光伏電池，其光電轉換效率已經超越富勒烯類電子受體[Adv.Mater.2016,28,1884；Adv.Mater.2016,28,4734；Adv.Mater.2016,28,9423]。鄒應萍等于2019年開發了一類以噻吩吡咯并苯并噻二唑(TPBT)為中心核的稠環受體Y6，與PM6等寬帶隙給體共混制備的單結有機光伏電池效率突破16％