一种有机太阳能电池受体材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种异靛蓝衍生物类有机太阳能电池受体材料及其制备方法，该化合物具有良好的热稳定性、较高的载流子迁移率、较高的摩尔消光系数，用其制作的有机太阳能电池器件具有优良的光电转化效率和较高的填充因子。该异靛蓝衍生物的结构如下：

【技术实现步骤摘要】
一种有机太阳能电池受体材料及其制备方法
本专利技术涉及有机光电子材料
，具体涉及一种异靛蓝衍生物类有机太阳能电池受体材料及其制备方法。
技术介绍
随着石油等能源逐渐枯竭，可再生能源如太阳能的开发及应用逐渐成为社会关注的焦点，对太阳能的利用方式主要是发展太阳能电池。然而传统硅基太阳能电池价格昂贵，能量偿还时间较长，制备程序复杂，且生产过程中容易产生污染。相比较而言，有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池则具有质轻、价廉、易加工、可制备大面积器件等硅基太阳能电池无法比拟的优点，日益受到相关研究者的重视。异靛蓝类化合物在太阳能电池的应用方面有很大的潜力。因为它有低的前线轨道能级、平坦的骨架和扩展的共轭以及大的局部偶极，N-烷基化后有良好的溶解性且易于大规模合成。现有的异靛蓝类化合物主要用于太阳能电池给体材料，本专利技术将异靛蓝衍生物用于太阳能电池受体材料，表现出优异的性能。相较于其他n型半导体，本专利技术设计的异靛蓝衍生物小分子的化学结构中心存在一个C＝C双键，并将两个吲哚酮环化学键合在一起，形成一个扩展的π共轭结构，加上其特有的缺电子性质使得构筑的共轭聚合物材料具有优良的光电性能；芴基化合物具有良好的热稳定性、较高的载流子迁移率、较高的摩尔消光系数，使得该分子有良好的光电性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种异靛蓝衍生物类有机太阳能电池受体材料及其制备方法。一种太阳能电池受体材料，其化学结构式如下：其中，AK选自碳原子数目1-20的饱和烷基链或醚链或硅氧烷链中的一种，X代表H或CF3。优选的，所述AK具体为正己基(-C6H12)或异辛烷基(-C8H17)或3,7-二甲基辛烷基(-C10H21)或2-乙基己基(-C8H16)。上述太阳能电池受体材料的制备方法，包括以下步骤：(a)酸性、加热条件下，6-溴羟基吲哚(化合物1)与6-溴靛红(化合物2)以1:0.8～2.0的摩尔比回流反应，分离洗涤后得到6,6-二溴异吲哚(化合物3)，反应过程如下：(b)以二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，在碳酸钾存在条件下，化合物3与饱和溴化烷烃CnH(2n+1)Br(化合物4，n的取值为1-20)以1:2.5～5的摩尔比进行反应，分离得到化合物5，反应过程如下：(c)以甲苯为溶剂、三苯基膦钯(Pd(PPh3)4)为催化剂，化合物5与噻吩的锡盐以1：1.34～5的摩尔比回流反应，分离得到化合物6，反应过程如下：(d)避光条件下，以四氢呋喃(THF)为溶剂，化合物6与N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)以1:1.05-2.0的摩尔比进行反应，分离得到化合物7，反应过程如下：(e)以甲苯为溶剂、三苯基膦钯为催化剂，在惰性气体保护氛围下、四丁基溴化铵(TBAB)和K2CO3水溶液存在的条件下，化合物7与0.8-2.5倍(摩尔比)的X-对苯硼酸(X为H或CF3中的一种)反应，分离得到化合物8，反应过程如下：(f)以甲苯为溶剂、三苯基膦钯为催化剂，在保护气氛、四丁基溴化铵(TBAB)和K2CO3水溶液存在的条件下，化合物8与化合物9以1:4-5.5的摩尔比进行反应，分离得到目标产物，反应过程如下：上述方案中，步骤(a)具体为将6-溴羟基吲哚与6-溴靛红加入到乙酸(AcOH)中，再加入浓盐酸HCl，加热至120℃回流过夜，冷却后过滤，固体物质分别用乙醇(EtOH)和乙酸乙酯(AcOEt)洗涤后真空干燥，得到化合物3。上述方案中，步骤(b)具体为将化合物3和饱和溴化烷烃CnH(2n+1)Br加入到二甲基甲酰胺(DMF)中，再加入新鲜干燥的无水碳酸钾，将混合物加热至100℃搅拌反应15-17h，反应液与水混合后用CH2Cl2萃取用盐水洗涤用MgSO4干燥，除杂后得到化合物5，其中饱和溴化烷烃CnH(2n+1)Br的碳原子数为1-20个。上述方案中，步骤(c)具体为将化合物5与噻吩的锡盐加入到甲苯中，以三苯基膦钯为催化剂，90℃回流搅拌反应96小时，待混合物冷却后与水混合，经乙醚萃取、水洗、干燥、除杂得到化合物6。上述方案中，步骤(d)具体为避光条件下将化合物6加入到四氢呋喃溶液中，再分批加入N-溴代琥珀酰亚胺，室温搅拌12h，经乙醚萃取、除杂得到化合物7。上述方案中，步骤(e)具体为首先对甲苯、K2CO3水溶液进行除氧处理，接着将化合物7、X-对苯硼酸、三苯基膦钯、四丁基溴化铵及K2CO3水溶液混合均匀，再加入甲苯，升温至70℃反应8h，经水洗、萃取、柱层析纯化得到化合物8，其中X为H或CF3中的一种。上述方案中，步骤(f)具体为惰性气体保护氛围下，将化合物8、化合物9加入到K2CO3水溶液中，再加入三苯基膦钯、四丁基溴化铵和甲苯，升温至85-90℃反应24h，经萃取、柱层析纯化得到目标产物。上述方案中，所述饱和溴化烷烃具体为1-溴-2-乙基己烷，所述X-对苯硼酸具体为苯硼酸或三氟甲基苯硼酸。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)制备了一种异靛蓝衍生物并将其作为太阳能电池的受体材料，该化合物具有良好的热稳定性、较高的载流子迁移率、较高的摩尔消光系数；(2)引入烷基侧链使得该化合物的溶解性得到改善，具有溶液可加工性，这是未来柔韧性太阳能电池低成本制造工艺的关键因素；(3)利用异靛蓝具有较强的拉电子能力，较低的LUMO能级，从而降低化合物的带隙，促进聚合物对太阳光的吸收。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本专利技术的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。实施例1向50ml单口烧瓶中加入6-溴羟基吲哚(化合物1，500mg，2.36mmol)、6-溴靛红(化合物2，533mg，2.36mmol)以及AcOH(15mL)，向混悬液中加入浓HCl溶液(0.1ml)，加热至100℃回流24小时。待混合物冷却后过滤，固体物质分别用水、EtOH和AcOEt洗涤，接着真空干燥，得到951mg棕色6,6-二溴异吲哚(化合物3)，产率95％。反应过程如下：真空环境惰性气体保护氛围下，向100ml三口烧瓶中加入6,6-二溴异吲哚(化合物3，1.0g，2.93mmol)、新鲜干燥的碳酸钾(2.43g，17.59mmol)以及无水DMF(20mL)，接着向所得悬浮液中加入1-溴-2-乙基己烷(1.70g，8.79mmol)。将混合物加热至100℃后搅拌15小时，然后倒入水(500mL)中，有机相用CH2Cl2萃取，用盐水洗涤，用MgSO4干燥，减压除去溶剂后，通过二氧化硅色谱法纯化深红色固体，用(CH2Cl2：己烷＝2:3，体积比)洗脱，得到1.37g棕色固体(化合物5)，产率90％。反应过程如下：向100mL单口烧瓶中加入甲苯(47mL)、三苯基膦钯(Pd(PPh3)4)(0.26g，13.2mmol)以及化合物5(5.5224g，5.634mmol)，将混合物在90℃回流搅拌96小时。待混合物冷却至室温后倒入水中，有机相用乙醚萃取，用水洗涤，用MgSO4干燥，在减压下除去溶剂后，通过二氧化硅色谱法用(二氯甲烷：己烷＝2:3体积比)纯化得到3.4g固体(化合物6)，产率85％。反应过程如下：避光条件下，向100mL两口烧瓶中加入THF溶液(58mL)、化合物6(1.92g，1.94mmol)，2小时内再分批加入NBS(0.7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能电池受体材料，其特征在于，所述太阳能电池受体材料的化学结构式如下：

【技术特征摘要】
1.一种太阳能电池受体材料，其特征在于，所述太阳能电池受体材料的化学结构式如下：其中，AK选自碳原子数目1-20的饱和烷基链或醚链或硅氧烷链中的一种，X代表H或CF3。2.根据权利要求1所述的一种太阳能电池受体材料，其特征在于：AK具体为正己烷基或异辛烷基或3,7-二甲基辛烷基或2-乙基己基中的一种。3.权利要求1所述太阳能电池受体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)酸性、加热条件下，6-溴羟基吲哚与6-溴靛红以1：0.8～2.0的摩尔比回流反应，分离洗涤后得到6,6-二溴异吲哚；(b)以二甲基甲酰胺为溶剂，在碳酸钾存在条件下，6,6-二溴异吲哚与饱和溴化烷烃CnH(2n+1)Br以1:2.5～5的摩尔比进行反应，分离得到化合物5；(c)以甲苯为溶剂、三苯基膦钯为催化剂，化合物5与噻吩的锡盐以1：1.34～5的摩尔比回流反应，分离得到化合物6；(d)避光条件下，以四氢呋喃为溶剂，化合物6与N-溴代琥珀酰亚胺以1:1.05-2.0的摩尔比进行反应，分离得到化合物7；(e)以甲苯为溶剂、三苯基膦钯为催化剂，在无氧、四丁基溴化铵和K2CO3水溶液存在的条件下，化合物7与X-对苯硼酸以1：0.8～2.5的摩尔比反应，分离得到化合物8；(f)以甲苯为溶剂、三苯基膦钯为催化剂，在保护气氛、四丁基溴化铵和K2CO3水溶液存在的条件下，化合物8与化合物9以1:1～4的摩尔比反应，分离得到目标产物；其中化合物9的结构如下：4.如权利要求3所述的太阳能电池受体材料的制备方法，其特征在于：步骤(a)将6-溴羟基吲哚与6-溴靛红加入到乙酸中，再加入浓盐酸，加热至120℃回流过夜，冷却后过滤，固体物质分别用乙醇和乙酸乙酯洗涤后真空干燥，得到化合物3。5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘治田，张晓璐，高翔，方成，曾娣，张拨，张旗，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42