一种侧链含高电子迁移率芳杂环的醇/水溶性有机小分子阴极界面材料制造技术

本发明专利技术提供一类侧链含高电子迁移率芳杂环的有机小分子阴极界面材料的制备方法及其作为阴极界面层应用于有机太阳能电池中。本发明专利技术通过在有机小分子的侧链上引入高电子迁移率芳杂环，改善了有机小分子界面材料的电子传输性能，增强了其厚度不敏感性，从而提高了有机太阳能电池的效率，利于有机太阳能电池太阳能的湿法大规模工业生产。该类材料作为界面层使用还可以有效的阻止由水分、氧气和光等原因所造成器件性能下降，从而显著提高有机太阳能电池的稳定性。同时，这类醇/水溶性有机小分子材料合成步骤简单，原料价格低廉，在商业应用中具有极大的优势。应用该类界面材料的有机太阳能电池的结构自下而上依次为：透明玻璃、氧化铟锡阳极、空穴传输层、活性层、阴极界面层和金属铝阴极。

【技术实现步骤摘要】
一种侧链含高电子迁移率芳杂环的醇/水溶性有机小分子阴极界面材料
本专利技术涉及有机太阳能电池材料
，具体涉及一种侧链含高电子迁移率芳杂环的醇/水溶性有机小分子阴极界面材料的制备方法及其在有机太阳能电池中的应用。技术背景工业革命以来，能源的使用呈现几何级别的增加，目前对人类社会发展来说最主要的能源是传统的煤、石油和天然气资源，但是由于传统能源具有不可再生性，严重威胁了人类社会的可持续发展。同时，传统能源的使用也给人类生存环境带来了极大危害，影响了人类的健康和生存。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源是人类社会维持可持续发展的必然选择。太阳能电池作为直接将太阳能转化成电能的装置，近年来受到人们的极大关注。尤其是有机太阳能电池，由于其质量轻、柔性、可卷对卷的大规模生产等优点，被认为是下一代太阳能电池的典型代表。在科研工作者的不断努力下，目前基于单层有机太阳能电池的效率已经超过了14％。但是由于在传统有机太阳能电池的制备过程中一般使用活泼金属钙作为阴极夹层，因此对器件的封装提出了极大的挑战。随着阴极界面的发展和醇/水溶性的阴极界面层的使用，有机太阳能电池的稳定性和效率均获得了极大的提升。但是目前使用的醇/水溶性阴极界面材料的导电性能较差，因此在制备过程中对界面层厚度有严格的要求，一般厚度控制在5纳米左右，这样的精度不利于以后的大规模工业生产。本专利技术提供一类对膜厚不敏感的阴极界面层材料的制备方法，即将噻二唑和噁二唑等具有高电子迁移率的芳杂环单元引入到有机小分子界面材料的侧链中，提高材料的导电性，改善其阴极界面修饰能力，为制备膜厚不敏感的高效阴极界面层提供技术保障。本专利技术分别将含有2，5-二苯基-1,3,4-噻二唑与2，5-二苯基-1,3,4-噁二唑柔性侧链的单体，通过Suzuki偶联的方法制备了一类醇/水溶性的有机小分子阴极界面层材料，通过这些高电子迁移率结构单元的引入，有效提升了材料的导电性能，制备出对膜厚不敏感的阴极界面层材料，解决了有机太阳能电池不适宜大规模生产的问题。
技术实现思路
基于以上所述，本专利技术的目的在于提出一类高电子迁移率的醇/水溶性有机小分子阴极界面材料，并且将其作为阴极界面层应用于有机太阳能电池中。重要的是通过引入了噻二唑/噁二唑等电子传输性能优异的官能团，改善了其膜厚不敏感性，有利于将来有机太阳能电池的湿法大规模工业生产。本专利技术的技术方案为：本专利技术提供了一类高电子迁移率的醇/水溶性的有机小分子阴极界面材料，该类有机小分子阴极界面材料具有以下通式：其中，R为末端含有溴化三甲铵基的C1-C12的烷基；A选用式Ⅱ中所示的含高电子迁移率的芳杂环官能团，其中R1为C1-C12的烷基或者烷氧基；X为O、S、Se或Te等杂原子。优选的方案，R1为C2-C8的烷氧基；X为O或者S原子，A选用式Ⅲ和式Ⅳ所示的基团结构：2.如权利要求1所述的有机小分子阴极界面材料，其特征在于R优先选择C2-C8的直链烷基或者烷氧基。3.如权利要求1所述的有机小分子阴极界面材料，其特征在于X优先选择O和S杂原子。4.如权利要求1所述的有机小分子阴极界面材料，其特征在于A优先选用下列结构：其中R1为C2-C8的烷氧基。最优选的基于有机小分子阴极界面材料具有以下的分子结构式：本专利技术的主要优点在于：1.所专利技术的有机小分子阴极界面材料具有良好的醇/水溶性，能够溶于甲醇等强极性溶剂，在二氯甲烷中的溶解度有限，因此适合通过正交溶剂法制备器件。2.所专利技术的有机小分子阴极界面材料具有很好的阴极修饰能力，可以有效的降低金属阴极的功函数，改善与活性层的欧姆接触，降低接触电阻。3.所专利技术的有机小分子阴极界面材料具有较高的导电性，应用于有机太阳能电池中，制备的器件膜厚达到50纳米时，仍然可以获得较高的能量转换效率。附图说明图1为本专利技术的有机小分子阴极界面材料的紫外-可见光吸收光谱；图2为本专利技术的有机小分子阴极界面材料的光电转换效率图；图3为本专利技术的有机小分子阴极界面材料O-TFBr在不同膜厚情况下的J-V曲线；图4为本专利技术的有机小分子阴极界面材料S-TFBr在不同膜厚情况下的J-V曲线；图5为应用该类界面材料的有机太阳能电池的结构。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术的醇/水溶性有机小分子阴极界面材料的合成路线如下所示：(i)氢氧化钠(50％),四丁基溴化铵,溴代烷；(ii)2-4,4,5,5-四甲基-[1,3,2]-二氧杂硼烷-9,9-二(3'-溴丙基)芴,四三苯基磷钯,无水碳酸钾,甲苯；(3)四氢呋喃,三甲基胺实施例1化合物O-TFBr的制备具体步骤如下：(1)化合物1a的合成将2,7-二溴-9H-芴(0.31克，0.97毫摩尔)和催化量的四丁基溴化铵加入到脱气的二甲基亚砜中(60毫升)。然后加入4毫升氢氧化钠溶液(50％)。此时反应液变成深红色。然后逐滴滴入溶有化合物2-(4-溴甲基苯基)-5-[4-己氧苯基]-[1,3,4]噁二唑(1.0克，2.41毫摩尔)的二甲基亚砜(40毫升)溶液。滴加过程中反应液逐渐变紫。滴加完毕后继续搅拌24小时。反应结束后，将反应液倒入400mL水中，析出固体。过滤，干燥滤饼。然后柱色谱提纯。得到产品0.46克，产率48.0％。化合物1a的核磁图谱为：1HNMR(400MHz,CDCl3,δ/ppm):7.99-7.94(m,4H,-ArH),7.70-7.64(m,1H,ArH),7.55-7.47(s,4H,-ArH),7.46-7.42(m,1H,ArH),7.39-7.36(m,2H,-ArH),7.22-7.19(m,2H,-ArH),7.01-6.74(m,8H,-ArH),4.12-3.99(m,4H,-CH2-),3.49-3.45(m,4H,-CH2-),1.83-1.75(m,4H,-CH2-),1.50-1.31(m,12H,-CH2-),0.94-0.86(m,6H,-CH3).13CNMR(100MHz,CDCl3,δ/ppm):164.4,163.9,161.9,149.0,139.7,138.9,131.0,130.6,128.6,127.6,125.9,122.2,121.5,120.9,116.1,114.9,68.2,57.2,45.3,31.6,29.1,25.7,22.6,14.0.(2)化合物2a的合成将化合物1a(0.61克，0.62毫摩尔)、9,9-双(3-溴丙基基)-9H-芴-2-硼酸频哪酯(0.83克，1.56毫摩尔)溶于15毫升脱气甲苯中，然后加入5毫升脱气饱和碳酸钾溶液，氩气保护下加入四三苯基磷钯催化剂。回流反应24小时。反应结束后，加入10毫升水和20毫升二氯甲烷。分离有机层，有机层用无水硫酸镁干燥。过滤，滤液用旋转蒸发器浓缩得粗产品。粗产品柱色谱分离得到淡黄色固体0.92克，产率49％。化合物2a的核磁图谱为：1HNMR(400MHz,CDCl3,δ/ppm):7.90-7.59(m,22H,ArH),7.39-7.36(m,6H,ArH),6.99-6.93(s,8H,ArH),4.04-3.96(s,4H,-CH2-),3.62-3.55(s,4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种侧链含高电子迁移率芳杂环的醇/水溶性有机小分子阴极界面材料，其特征在于，具有式(Ⅰ)所示的分子结构：

【技术特征摘要】
1.一种侧链含高电子迁移率芳杂环的醇/水溶性有机小分子阴极界面材料，其特征在于，具有式(Ⅰ)所示的分子结构：其中，R为末端含有溴化三甲铵基的C1-C12的烷基；A选用式Ⅱ中所示的含高电子迁移率的芳杂环官能团，其中R1为C1-C12的烷基或者烷氧基；X为O、S、Se或Te杂原子；2.如权利要求1所述的有机小分子阴极界面材料，其特征在于，R优...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭强，李作佳，张光军，徐小鹏，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51