一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料及其制备方法和应用，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为具有A‑D‑A结构的直线型非富勒烯有机太阳能电池受体材料，其结构通式为：

A Novel Receptor Material for Dithiopheno-Silicon Heterocyclic Pentadiene Organic Solar Cells and Its Preparation and Application

The invention provides a novel dithiophenylsiloxane heterocyclic pentadiene organic solar cell acceptor material and its preparation method and application. The dithiophenylsiloxane heterocyclic pentadiene organic solar cell acceptor material is a linear non-fullerene organic solar cell acceptor material with A_D_A structure. The general structure of the material is as follows:

【技术实现步骤摘要】
一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料及其制备方法和应用
本专利技术属于太阳能电池材料
，具体涉及一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料及其制备方法和应用。
技术介绍
太阳能光伏技术在过去几十年里得到了长足的发展，根据相关资料显示，以GaAs为核心的薄膜太阳能电池效率已达28.8％，接近其理论最大值30％。与此同时，有机太阳能电池的发展也在与时俱进中，其效率从最开始的不到1％，发展到今天17.3％，但目前有机太阳能电池正处于理论研究和产业化发展的初级阶段，器件的光电转换效率，稳定性仍然有着巨大的提升空间。有机太阳能电池是以有机光电材料为半导体层，通过光伏效应产生电流。其工作原理是：在光照条件下，有机半导体层吸收光子，形成激子(电子-空穴束缚对)，当激子扩散到给受体接触面时，激子在给受体能级差作用下解离成自由电子和自由空穴，自由电子和空穴分别向正负极移动，被收集形成电流。有机太阳能电池具有易于加工、材料来源广、可使用柔性材料作为衬底等特点。有机太阳能电池根据使用活性层材料的不同，可以分为全聚合物有机太阳能电池、全小分子有机太阳能电池、聚合物给体-小分子受体有机太阳能电池、小分子给体-聚合物受体有机太阳能电池四类，其中以聚合物给体-小分子受体有机太阳能电池效率最高、研究最多，单节效率已达14.4％(ZhangS,QinY,ZhuJ,etal.Over14％EfficiencyinPolymerSolarCellsEnabledbyaChlorinatedPolymerDonor[J].AdvancedMaterials,2018,30(20):e1800868.)，叠层效率已达17.3％(MengL,ZhangY,WanX,etal.Organicandsolution-processedtandemsolarcellswith17.3％efficiency[J].Science,2018.)。近年来，聚合物给体-小分子受体有机太阳能电池的发展十分迅速，但其主要的研究集中在小分子受体方面，但到目前为止高效的小分子受体材料结构较为单一，合成较为复杂，如以五并(IDT)和七并噻吩稠环(IDTT)为核心，引入强拉电子基团。虽然上述材料光电转换效率较高，但其结构复杂、分子量较大，合成过程所需材料昂贵、制备困难，不利于商业化应用。因此，研发出一种兼具易制备且高效的小分子受体材料显得尤为必要。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的首要目的是提供一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料具有结构简单、分子量较小和高效的优点。为实现上述目的，本专利技术所采用的方案如下：一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为具有A-D-A结构的直线型非富勒烯有机太阳能电池受体材料，其结构通式为：其中m为自然数，m的值为2或3；R1和R2为含碳原子数从1到20的烷基直链或直链；B1和B2为拉电子封端，其结构选自如下所示结构：进一步的，当m为3，R1和R2均为C8H17，B1和B2均为时，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为A1，所述A1的结构式为：更进一步的，当m为2，R1和R2为C8H17，B1和B2为时，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为A2，所述A2的结构式为：本专利技术的目的之二在于提供一种所述新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料的制备方法，该方法简单易制备，合成原料便宜易得，有利于有机太阳能电池早日商业化应用。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料的制备方法，所述的新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为A1，所述A1的结构式为：所述A1的制备方法，包括如下步骤：取双口圆底烧瓶，无水无氧处理，氮气保护下，依次加入化合物4、5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮、吡啶，氯仿作溶剂，加热，反应过夜，TLC监测，反应结束后，将反应液转移至分液漏斗中，二氯甲烷萃取，饱和食盐水洗涤有机相，有机相用无水硫酸钠干燥，浓缩后用氯仿做洗脱剂过柱子得到蓝黑色固体A1。优选的，所述化合物4、5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮、吡啶、氯仿反应前的毫摩尔比为0.1：0.3：2.5：373。进一步的，所述化合物4的制备方法为：1)化合物1的合成：取双口圆底烧瓶，无水无氧处理，N’N-二甲基甲酰胺做溶剂，依次加入二噻吩并硅杂环戊二烯、三氯氧磷，室温搅拌，反应过夜，TLC监测，反应结束后，加入稀氢氧化钠溶液淬灭，将反应液转移至分液漏斗中，用乙酸乙酯萃取、饱和食盐水洗涤有机相，有机相用无水硫酸钠干燥，浓缩后用石油醚：二氯甲烷做洗脱剂过柱，得到淡黄色油状化合物1；2)化合物2的合成：取双口圆底烧瓶，氯仿作溶剂，加入化合物1，0℃下加入NBS，恢复至室温搅拌，反应过夜，TLC监测，反应结束后，将反应液转移至分液漏斗中，二氯甲烷萃取、饱和食盐水洗涤有机相，有机相用无水硫酸钠干燥，浓缩后用石油醚：二氯甲烷做洗脱剂过柱，得到黄色油状化合物2；3)化合物3的合成：取双口圆底烧瓶，无水无氧处理，无水四氢呋喃做溶剂，氮气保护下加入二噻吩并硅杂环戊二烯，-78℃下加入正丁基锂，-78℃下搅拌一小时，随后加入三甲基氯化锡，恢复至室温搅拌，反应过夜，TLC监测，反应结束后，向反应液中加入氟化钾溶液淬灭反应，将反应液转移至分液漏斗中，二氯甲烷萃取、饱和食盐水洗涤有机相，有机相用无水硫酸钠干燥，减压浓缩后得到黄色油状化合物3。4)取双口圆底烧瓶，无水无氧处理，依次加入化合物2、化合物3、四三苯基膦钯，置换氮气3次，氮气保护下加入甲苯，加热至反应液回流，反应过夜、TLC监测，反应结束后，停止加热，反应液冷却至室温后，将反应液转移至分液漏斗中，用二氯甲烷萃取，饱和食盐水洗涤有机相，有机相用无水硫酸钠干燥，浓缩后用石油醚：二氯甲烷做洗脱剂过柱，得到红色油状化合物4。优选的，步骤1)中所述二噻吩并硅杂环戊二烯、三氯氧磷、DMF的反应前的毫摩尔比为10:10:388；步骤2)中所述化合物1、NBS、氯仿的反应前的毫摩尔比为3：3：249；步骤3)中所述二噻吩并硅杂环戊二烯、正丁基锂、三甲基氯化锡、四氢呋喃的反应前的毫摩尔比为1：2.2：2.4：494；步骤4)中所述化合物2、化合物3、四三苯基膦钯、无水甲苯的反应前的毫摩尔比为2.1：0.95：0.1：376。本专利技术的目的之三在于提供一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料的制备方法，该方法简单易行，原料便宜易得。为实现上述目的，本专利技术采用如下方案：一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料的制备方法，所述的新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为A2，所述A2的结构式为：所述A2的制备方法，包括如下步骤：取双口圆底烧瓶，无水无氧处理，氮气保护下，依次加入化合物6、5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮、吡啶，氯仿作溶剂，加热，反应过夜，TLC监测，反应结束后，将反应液转移至分液漏斗中，二氯甲烷萃取，饱和食盐水洗涤有机相，有机相用无水硫酸钠干燥，浓缩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料，其特征在于，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为具有A‑D‑A结构的直线型非富勒烯有机太阳能电池受体材料，其结构通式为：

【技术特征摘要】
1.一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料，其特征在于，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为具有A-D-A结构的直线型非富勒烯有机太阳能电池受体材料，其结构通式为：其中m为自然数，m的值为2或3；R1和R2为含碳原子数从1到20的烷基直链或直链；B1和B2为拉电子封端，其结构选自如下所示结构：2.根据权利要求1所述的一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料，其特征在于，当m为3，R1和R2均为C8H17，B1和B2均为时，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为A1，所述A1的结构式为：3.根据权利要求1所述的一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料，其特征在于，当m为2，R1和R2均为C8H17，B1和B2均为时，所述二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为A2，所述A2的结构式为：4.一种新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料的制备方法，其特征在于，所述的新型的二噻吩并硅杂环戊二烯有机太阳能电池受体材料为A1，所述A1的结构式为：所述A1的制备方法，包括如下步骤：在化合物4和5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮中依次加入吡啶、氯仿进行加热反应，经二氯甲烷萃取，水洗、干燥、浓缩后经氯仿洗脱后得到A1。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述化合物4、5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮、吡啶、氯仿反应前的毫摩尔比为0.1：0.3：2.5：373。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述化合物4的制备方法为：1)化合物1的合成：在N’N-二甲基甲酰胺中依次加入二噻吩并硅杂环戊二烯、三氯氧磷室温搅拌反应，经二氯甲烷萃取，水洗、干燥、浓缩后经二氯甲烷洗脱后得到化合物1；2)化合物2的合成：在氯仿中加入步骤1)所述的化合物1，0℃下加入NBS，室温搅拌反应，经二氯甲烷萃取，水洗、干燥、浓缩后经二氯甲烷洗脱后得到化合物2；3)化合物3的合成：在四氢呋喃中加入二噻吩并硅杂环戊二烯，-78℃下加入正丁基锂，搅拌，再加入三甲基氯化锡，室温搅拌反应，经氟化钾淬灭、二氯甲烷萃取、水...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆仕荣，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆,50