[發明專利]一種A-π-D-π-A型咔咯類給體光伏材料及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202310372976.0
• 申請日: 2023-04-10
• 公開（公告）號: CN116589471A
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 彭小彬;何子欽;吳濟發
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C07D487/22
• 分類號: C07D487/22;H10K30/20;H10K30/50;H10K85/30
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 宮愛鵬

本發明公開了A?π?D?π?A型咔咯類給體光伏材料的制備方法與應用。所述A?π?D?π?A型咔咯類給體光伏材料以咔咯環為中心給電子單元，吡咯并吡咯二酮作為吸電子單元，并且通過π橋連接到咔咯上，從而構成A?π?D?π?A型，形成推拉電子效應，可以有效起到電子傳輸的作用。本發明采用A?π?D?π?A型結構作為給體部分，既可以調節其LUMO能級使得激子能夠更好的解離，同時大的共軛的主體結構增強了光伏材料的吸光能力，可以起到有效的傳遞電荷的作用。此外還探索了A?π?D?π?A型咔咯類給體光伏材料合成步驟，也為優化和開發咔咯類小分子給體材料提供方向，在太陽能電池上具有重要的應用前景。

技術領域

本發明屬于有機小分子光伏材料領域，具體涉及A-π-D-π-A型咔咯類給體光伏材料及其制備方法與應用。

背景技術

有機太陽電池技術通過使用有機材料作為活性層，能將太陽能轉化為電能的同時，還具備質輕、柔性、可溶液加工、材料成本低的優勢，因此受到了學術界和商業界的廣泛關注。目前，實驗室條件下基于聚合物作給體材料的器件效率已經超過20％，但聚合物材料存在批次差異等問題一定程度上限制了其發展。而小分子給體材料結構確定、光譜吸收及能級易調控、批次差異小等特點吸引了許多研究者們的興趣。近年來，基于小分子給體材料的有機太陽電池發展迅速，器件能量轉換效率也已突破17％。但是，要實現大規模商業化生產還有很長的路要走，其中材料與器件的穩定性是制約有機太陽電池發展的重要障礙。對于小分子給體而言，對于材料的選擇已經發展出了諸如聚噻吩類、苯并二噻吩類、三乙胺類、卟啉類等材料，但材料的穩定性不高，效率有待提升，仍然需要開發新型材料。

咔咯作為卟啉的衍生物，和卟啉類似，也具有大的π共軛體系和高的摩爾吸光系數、良好的平面性、具備多個可供修飾的化學位點，因此同樣具有作為給電子單元應用到小分子電池材料的潛力。對于小分子給體材料而言，A-π-D-π-A型(受體單元-π橋-給體單元-π橋-受體單元)結構能延長共軛體系，促進分子間π-π的堆積，使得分子內電荷轉移增強，從而能減小光學帶隙，是小分子給體材料中較優的結構類型。不過關于A-π-D-π-A型的咔咯類小分子太陽電池材料尚未發現有研究進展。

綜上所述，研究如何合成A-π-D-π-A型的咔咯類小分子給體材料具有重要意義。我們經過多次嘗試，找到了一種制備A-π-D-π-A型的咔咯類小分子給體材料的方法。

發明內容

為解決現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供A-π-D-π-A型咔咯類給體光伏材料。

本發明的咔咯和小分子受體通過化學鍵鍵合成為一個有機小分子給體電池材料，其中具有大π共軛平面的咔咯單元作為小分子的給體部分，用三鍵連接的吸電子單元作為小分子的受體部分，形成了A-π-D-π-A型結構。該結構有效地調節了材料的吸收光譜，提高了材料的載流子遷移率；同時通過改變吸電子基團的吸電子能力，有效地調節了分子的HOMO、LUMO能級。通過使用該結構型的咔咯類材料，可以達到優化器件光電轉化效率的目的。

本發明的另一目的是提供上述A-π-D-π-A型咔咯類給體光伏材料的制備方法。

本發明的再一目的在于提供上述A-π-D-π-A型咔咯類給體光伏材料的應用。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種A-π-D-π-A型咔咯類給體光伏材料，具有以下化學結構：

其中，每個A彼此相同或不同，各自獨立地表示具有共軛結構的吸電子基團；Ar表示氫、烷基、烷氧基、取代或未取代的芳香基團中的一種；M表示金屬元素或3個氫元素。

優選地，所述Ar為以下結構的一種：