基于多并五元环共轭分子及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及有机和钙钛矿太阳能电池领域，具体地，涉及一种基于多并五元环共轭分子及其制备方法和应用。本发明专利技术公开了一类共轭分子的分子结构、制备方法及其在太阳能电池领域的实际应用。共轭分子为下式(1)所示的化合物。本发明专利技术所提供的共轭分子拥有强的可见及近红外光吸收能力、好的电荷传输性能以及合适的电子能级，适合于作为光伏材料或电子传输层/修饰层材料应用于制备太阳能电池；也适用于作为光探测材料用于光探测器中。

Multiple conjugated five membered ring conjugated molecules and their preparation methods and Applications

The invention relates to the field of organic and perovskite solar cells, in particular to a poly-pentacyclic conjugated molecule, a preparation method and application thereof. The invention discloses the molecular structure of a class of conjugated molecules, the preparation method and the practical application in the field of solar cells. Conjugated molecules are the compounds shown in the following (1). The conjugated molecules provided by the invention have strong visible and near infrared light absorption capacity, good charge transfer performance and suitable electronic energy level, and are suitable for preparing solar cells as photovoltaic materials or electron transport layer/modified layer materials, and also suitable for photodetectors as light detection materials.

【技术实现步骤摘要】
基于多并五元环共轭分子及其制备方法和应用
本专利技术涉及有机及钙钛矿太阳能电池和光探测器领域，具体地，涉及一种基于多并五元环共轭分子及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，有机太阳能电池发展迅速，由于其具有重量轻、柔性好、加工方式简单、可大面积制备并且成本低等优点，受到学术界和工业界的广泛关注。半透明有机太阳能电池由于其在光伏建筑一体化等应用领域的巨大潜力而被认为是有机太阳能电池领域最具前景的应用方向。钙钛矿太阳能电池近年来由于效率的快速提升得到了学术界和工业界巨大的关注。有机光探测器作为一种新型光电探测器也是有机电子学研究的重要方向。目前，基于聚合物给体与富勒烯受体共混制备的有机太阳能电池的光电转换效率已突破11％。这显示出有机太阳能电池的巨大应用前景。聚合物材料由于其较高的摩尔消光系数，较宽的太阳光谱吸收，使得光伏器件的光电转换效率较高。然而，聚合物也有不足之处，比如：不确定的分子结构，多分散性的分子量分布，较难的批次重复性，不易纯化等问题。与聚合物不同，有机稠环小分子和大分子半导体材料由于具有确定的分子结构及分子量，以及具有批次稳定及纯化简单且纯度高等优点，使得有机稠环小分子和大分子太阳能电池研究渐趋于热。由于富勒烯衍生物拥有足够大的电子亲和力、各向同性的电子传输性能、较匹配的电子能级等优点，使得富勒烯衍生物(PC61BM和PC71BM)成为受体材料里的明星分子，一直占据着主导地位。然而PCBM也存在着诸多缺点，如较弱的可见光吸收、较难的能级调控、复杂繁琐的提纯过程等。新型有机多并稠环大分子具有近红外吸收特性，作为光伏材料特别适合于半透明有机太阳能电池、近红外光探测器，由于其能级易于调控还可以作为钙钛矿太阳能电池的修饰层，电子传输层或光捕获层掺杂成分。因此合成新型的受体材料依然非常有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的能够用于太阳能电池作为电子给体或电子受体材料的具有较强的光吸收、较高的电荷传输性能以及合适的电子能级的多并五元环共轭分子及其制备方法和应用。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种多并五元环共轭分子，该共轭大分子为下式(1)所示的化合物：其中，两个基团A各种独立地选自以下结构：各个基团B和基团C各自独立地表示1-10个噻吩共轭稠环结构；各个R1各自独立地选自式所示的基团；各个R2各自独立地选自式所示的基团；其中，各个Z各自独立地选自C、N、Si或Ge；各个X、各个X'和各个Y各自独立地选自O、S或Se；m为0-6的整数；n为0-6的整数；p为0-6的整数；各个R3-R13各自独立地选自H、F、C1-C30的烷基、C1-C30的烷氧基、C1-C30的烷硫基和C6-C30的芳基。本专利技术第二方面提供一种上述多并五元环共轭分子的制备方法，该方法包括：在碱性化合物存在下且在有机溶剂中，将下式(2)所示的化合物与式(a)所示的化合物进行脱水缩合反应，得到式(1)所示的化合物；其中，式(a)选自以下化合物中的一种或多种：本专利技术第三方面提供一种含有上述多并五元环共轭分子中的一种或多种的光伏材料或光探测材料。本专利技术第四方面提供一种太阳能电池，该电池中的光伏材料含有上述多并五元环共轭分子。本专利技术第五方面提供一种上述太阳能电池的制备方法，该方法包括：将所述多并五元环共轭分子配置于含光伏材料的层中。本专利技术第六方面提供一种光探测器，该光探测器包括光捕获的活性层，其中，所述光捕获的活性层中电子给体材料和/或电子受体材料含有上述多并五元环共轭分子中的一种或多种。本专利技术第七方面提供一种光探测器的制备方法，其中，该方法包括将含有上述多并五元环共轭分子中的一种或多种的电子给体材料和/或电子受体材料用于形成光捕获的活性层。本专利技术提供的多并五元环共轭分子，具有较强的光吸收、较高的电荷传输性能以及合适的电子能级，适合于作为光伏材料或光探测材料应用于制备太阳能电池或光探测器中。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是本专利技术的实施例1所得的式(1-6-2)所示的多并五元环共轭分子的紫外-可见吸收光谱，其中，溶液是指以氯仿为溶剂制得的溶液(10-6mol/L)，薄膜是指氯仿溶液旋涂成的薄膜(100纳米厚度)。图2是本专利技术的实施例1所得的式(1-6-2)所示的多并五元环共轭分子的循环伏安曲线。图3为实施例10所得的太阳能电池的I-V曲线。图4为实施例11所得的太阳能电池的I-V曲线。图5为实施例12所得的半透明太阳能电池的I-V曲线。图6为实施例12所得的半透明太阳能电池的透光率曲线。图7为实施例13所得的太阳能电池的I-V曲线。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术中，各个基团各自独立地选自表示，当各个基团同时且在化合物中多处出现时，它们都是独立地选择，可以是相同的，也可以是不同的，例如，尽管所示的基团中具有4个R13，但是这4个R13是可以独立地进行选择的，可以相同也可以不同。本专利技术中，等带有虚线连接键的结构中的虚线指明了连接位点，表示连接键；等带有实线连接键的结构中的未连接任何基团或原子的括号以外的实线也指明了连接位点，表示连接键。本专利技术中，含有该基团表示的是，-F穿插的键的左右两边分别取得F的情况都存在，例如，下式(1-6-F1)实际上是指两边的A基团均为基团A-3的式(1-6-8)、两边的A基团均为基团A-4的式(1-6-11)和两边的A基团一个为基团A-3且另一个为基团A-4的式(1-6-41)所示的化合物的混合物。本专利技术一方面提供一种多并五元环共轭分子，该共轭大分子为下式(1)所示的化合物：式(1)中的各个基团如
技术实现思路
部分所限定的。根据本专利技术，为了能够获得光吸收更强、电荷传输性能更高以及电子能级更为合适共轭分子，优选地，各个基团B和基团C各自独立地表示1-5个噻吩共轭稠环结构；各个Z各自独立地选自C、N和Si；各个X、各个X'和各个Y各自独立地选自O和S；m为0-4的整数；n为0-4的整数；p为0-4的整数；各个R3-R13各自独立地选自H、F、C1-C20的烷基、C1-C20的烷氧基、C1-C20的烷硫基和C6-C24的芳基。更优选地，各个基团B和基团C各自独立地表示1-4个噻吩共轭稠环结构；各个R3-R13各自独立地选自H、F、C1-C10的烷基、C1-C10的烷氧基、C1-C10的烷硫基和C6-C12的芳基。更进一步优选地，各个Z选自C；各个R3-R8、各个R10和各个R12-R13各自独立地选自H、F、甲基、乙基、正丙基、正丁基、甲氧基、乙氧基、正丙氧基、正丁氧基、甲硫基、乙硫基、正丙硫基和正丁硫基；各个R9和各个R11各自独立地选自H、正丁基、正戊基、正己基、正辛基、2-乙基己基、正丁氧基、正戊氧基、正己氧基、正辛氧基、2-乙基己氧基、正丁硫基、正戊硫基、正己硫基、正辛硫基和2-乙基己硫基。其中，n为0，可认为R2表示不存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多并五元环共轭分子，其特征在于，该共轭大分子为下式(1)所示的化合物：式(1)

【技术特征摘要】
1.一种多并五元环共轭分子，其特征在于，该共轭大分子为下式(1)所示的化合物：式(1)其中，两个基团A各种独立地选自以下结构：各个基团B和基团C各自独立地表示1-10个噻吩共轭稠环结构；各个R1各自独立地选自式所示的基团；各个R2各自独立地选自式所示的基团；其中，各个Z各自独立地选自C、N、Si或Ge；各个X、各个X'和各个Y各自独立地选自O、S或Se；m为0-6的整数；n为0-6的整数；p为0-6的整数；各个R3-R13各自独立地选自H、F、C1-C30的烷基、C1-C30的烷氧基、C1-C30的烷硫基和C6-C30的芳基。2.根据权利要求1所述的多并五元环共轭分子，其中，各个基团B和基团C各自独立地表示1-5个噻吩共轭稠环结构；各个Z各自独立地选自C、N和Si；各个X、各个X'和各个Y各自独立地选自O和S；m为0-4的整数；n为0-4的整数；p为0-4的整数；各个R3-R13各自独立地选自H、F、C1-C20的烷基、C1-C20的烷氧基、C1-C20的烷硫基和C6-C24的芳基；优选地，各个基团B和基团C各自独立地表示1-4个噻吩共轭稠环结构；各个R3-R13各自独立地选自H、F、C1-C10的烷基、C1-C10的烷氧基、C1-C10的烷硫基和C6-C12的芳基；更优选地，各个Z选自C；各个R3-R8、各个R10和各个R12-R13各自独立地选自H、F、甲基、乙基、正丙基、正丁基、甲氧基、乙氧基、正丙氧基、正丁氧基、甲硫基、乙硫基、正丙硫基和正丁硫基；各个R9和各个R11各自独立地选自H、正丁基、正戊基、正己基、正辛基、2-乙基己基、正丁氧基、正戊氧基、正己氧基、正辛氧基、2-乙基己氧基、正丁硫基、正戊硫基、正己硫基、正辛硫基和2-乙基己硫基。3.根据权利要求1或2所述的多并五元环共轭分子，其中，该共轭大分子为下式中所示的化合物中的一种：式(1-6)：式(1-7)：式(1-8)：4.根据权利要求3所述的多并五元环共轭分子，其中，定义：基团A-1为基团A-2为基团A-3为基团A-4为基团A-5为基团A-6为基团A-7为基团A-8为基团A-9为基团A-10为基团A-11为基团A-12为基团A-13为该多并五元环共轭分子为下式中所示的化合物中的一种：式(1-6-1)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-1，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-2)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-1，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-3)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-1，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-4)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-2，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-5)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-2，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-6)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-2，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-7)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-3，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-8)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-3，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-9)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-3，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-10)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-4，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-11)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-4，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-12)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-4，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-13)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-5，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-14)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-5，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-15)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-5，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-16)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-6，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-17)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-6，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-18)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-6，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-19)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-7，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-20)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-7，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-21)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-7，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-22)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-8，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-23)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-8，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-24)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-8，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-25)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-9，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-26)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-9，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-27)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-9，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-28)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-10，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-29)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-10，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-30)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-10，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-31)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-11，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-32)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-11，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-33)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-11，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-34)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-12，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-35)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-12，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-36)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-12，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-37)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-13，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-38)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-13，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-39)：式(1-6)中，Z均为C，A均为基团A-13，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-6-40)：式(1-6)中，Z均为C，一个A为基团A-3，另一个A为基团A-4，R2不存在，R1均为正己基；式(1-6-41)：式(1-6)中，Z均为C，一个A为基团A-3，另一个A为基团A-4，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-6-42)：式(1-6)中，Z均为C，一个A为基团A-3，另一个A为基团A-4，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-1)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-1，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-2)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-1，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-7-3)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-1，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-4)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-2，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-5)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-2，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-7-6)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-2，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-7)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-3，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-8)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-3，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-7-9)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-3，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-10)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-4，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-11)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-4，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-7-12)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-4，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-13)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-5，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-14)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-5，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-7-15)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-5，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-16)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-6，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-17)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-6，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-7-18)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-6，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-19)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-7，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-20)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-7，R2不存在，R1均为且R9为正己基；式(1-7-21)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-7，R2不存在，R1均为且R11为正己基；式(1-7-22)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-8，R2不存在，R1均为正己基；式(1-7-23)：式(1-7)中，Z均为C，A均为基团A-8，R2不存在，...

【专利技术属性】
技术研发人员：占肖卫，王伟，严岑琪，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11