一种光伏小分子给体及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种小分子光伏给体，所述小分子光伏给体为BDD‑IN，所述BDD‑IN以苯并二噻吩二酮为中心给体单元、1,3‑茚满二酮为封端受体单元和TBT作为π桥。本发明专利技术还公开了一种光伏小分子给体的制备方法。本发明专利技术提供的光伏小分子给体应用在太阳能器件中作为活性层中的电子给体材料，在300‑700nm之间有较强的吸收，具有较低的最高占据轨道能级，进一步研究了太阳能器件的光伏性能。

A Photovoltaic Small Molecular Donor and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种光伏小分子给体及其制备方法与应用
本专利技术涉及有机光伏小分子的
，特别涉及一种光伏小分子给体及其制备方法与应用。
技术介绍
随着当今世界经济的高速发展，能源和环境危机日益加剧，人们对清洁能源的需求也越来越迫切。太阳能作为取之不尽、用之不竭的绿色能源，如何对其进行高效利用成为科学家们的研究热点。有机太阳电池(OSCs)可将太阳能有效转化为电能，具有成本低廉、质量轻、半透明、柔性可弯曲等特点，使得它在可穿戴设备、便携式能源等领域表现了巨大的应用潜力。近些年来，可溶液处理的本体异质结有机太阳能电池由于具有质轻、柔性好、低成本以及可通过印刷进行大面积制造等优点，已经受到了研究者们越来越多的关注。得益于新型活性层材料的开发以及器件工艺的优化，基于富勒烯及其衍生物为受体，聚合物或小分子为给体的有机太阳能电池已经取得了重大的进展，能量转化效率(PCE)都已经超过了10％。相比共轭聚合物，小分子展现了更多独特的优点，例如结构明确、纯度高、能级易于调控以及器件性能无批次差异。所以，小分子更有利于研究分子结构与性能之间的关系。目前具有给体-受体-给体(A-D-A)构型的小分子展现出优异的性能，包含一个富电子单元D作为供电子核以及两个吸电子较强的单元A作为端基，是一种调节吸收光谱和分子能级的有效策略。而为了有机太阳能电池的大规模应用，发展更多类型的小分子是非常必要的。在报道过的优异给体材料中，基于苯并二噻吩二酮(BDD)单元的聚合物和小分子都具有宽吸收、高空穴迁移率和良好的光伏性能，这得益于BDD单元具有高度的平面性和良好的给电子能力。BDD是构建有机太阳能电池中高效率给体材料的非常具有前景的结构单元。为进一步设计高性能光伏材料提供指导。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光伏小分子给体及制备方法，光伏小分子给体应用在太阳能器件中作为活性层中的电子给体材料，在300-700nm之间有较强的吸收，具有较低的最高占据轨道能级，进一步研究了太阳能器件的光伏性能。一种小分子光伏给体，所述小分子光伏给体为BDD-IN，所述BDD-IN以苯并二噻吩二酮为中心给体单元、1,3-茚满二酮为封端受体单元和TBT作为π桥，所述小分子给体如式Ⅸ所示：本专利技术提供的小分子给体为A1-π-A2-π-A1型光伏小分子。本专利技术还提供一种光伏小分子给体的制备方法，所述制备方法包含以下步骤：(1)将式Ⅰ所示化合物(单边三丁基锡取代的单噻吩)和式Ⅱ所示化合物(2,5-二辛氧基取代的对二溴苯)，溶于有机溶剂A中，在钯类催化剂的作用下加热，发生Stille交叉偶联反应，得到式Ⅲ所示化合物(TBT)；(2)在氩气保护下，将正丁基锂滴加到式Ⅲ所示化合物的有机溶剂B中，再加入三甲基氯化锡，得到式Ⅳ所示化合物(TBT-Sn)；(3)将式Ⅳ所示化合物和式Ⅴ所示化合物溶于有机溶剂A中，在钯类催化剂的作用下加热，得到式Ⅵ所示化合物；(4)将POCl3滴加到DMF中形成的混合物转移至式Ⅵ所示化合物的有机溶剂C中，得到式Ⅶ所示化合物；(5)将式Ⅶ所示化合物与式Ⅷ所示化合物(1,3-茚满二酮)溶于有机溶剂D中，在哌啶作用下发生Knoevenagel缩合反应，得到式Ⅸ所示化合物BDD-IN；其中，R为2-乙基己基。在步骤(1)中，所述钯类催化剂、式Ⅰ所示化合物与式Ⅱ所示化合物的物质的量之比为0.2:3～4:1。优选的，所述钯类催化剂、式Ⅰ所示化合物与式Ⅱ所示化合物的物质的量之比为0.1:1:0.25。在步骤(1)中，所述钯类催化剂为四(三苯基膦)钯，在四(三苯基膦)钯的催化作用下加热至110℃～120℃搅拌回流过夜，得到式Ⅲ所示化合物后再经后处理A后得到式Ⅲ所示化合物。在步骤(1)中，所述有机溶剂A为超干甲苯。在步骤(2)中，所述正丁基锂、三甲基氯化锡、式Ⅲ所示化合物的物质的量之比为1.1:1.1:1。在氩气保护下于-78℃搅拌3小时后，在相同温度下将三甲基氯化锡加入到反应混合物中。将溶液在-78℃下搅拌30分钟，缓慢升温至室温，搅拌24小时，反应液经后处理A得到式(Ⅳ)所示化合物TBT-Sn；所述有机溶剂B为超干THF。在步骤(3)中，所述四(三苯基膦)钯、式Ⅳ所示化合物与式Ⅴ所示化合物的物质的量之比为0.3:2.5～3：1。在氩气保护的情况下加热至110℃～120℃搅拌回流24小时，再经后处理B得到式Ⅵ所示化合物。在步骤(3)中，所述后处理B为：反应结束后，将反应体系冷却至室温后加入水，用二氯甲烷萃取，获得下层有机相和上层水相，水相用二氯甲烷萃取多次，合并有机相并用水洗涤后，用无水MgSO4干燥，过滤，蒸发除去滤液的溶剂，得到式Ⅳ所示化合物，粗产物为棕色油状物，无需任何纯化即可用于进一步反应。在步骤(4)中，在0℃和氩气保护下，将POCl3滴加到DMF中，在25℃下搅拌30分钟后溶液的颜色变为浅橙色。将混合物转移至式(Ⅵ)所示化合物的有机溶剂C中，在氩气保护下，70℃搅拌回流24～48小时，反应液经后处理A得到式Ⅶ所示化合物；所述有机溶剂C为超干1,2-二氯乙烷；在步骤(1)、(2)和(4)中，所述后处理A的方法为：将反应体系冷却至室温后加入水，用二氯甲烷萃取，获得下层有机相和上层水相，水相用二氯甲烷萃取多次，合并有机相并用水洗涤后，用无水MgSO4干燥，过滤，蒸发除去滤液的溶剂，得到粗产物，该粗产物用200-300目硅胶柱层析色谱(硅胶有效长度为30cm)进行分离提纯，收集Rf值为0.5的流出液，洗脱剂为石油醚/二氯甲烷。在步骤(5)中，所述式Ⅶ所示化合物与式Ⅷ所示化合物的物质的量之比为1:4～5。所述Knoevenagel缩合反应的反应条件为：在哌啶作用下60℃下搅拌回流12h。在步骤(5)中，所述后处理C为：将式Ⅶ所示化合物与式Ⅷ所示化合物溶于重蒸三氯甲烷中，在哌啶作用下60℃～70℃下搅拌回流12h，反应液冷却至室温，将冷却后的反应液倒入水中并用二氯甲烷萃取，有机相水洗两次后用无水MgSO4干燥，过滤后的滤液利用旋转蒸发仪除去溶剂得到粗产物，粗产物以氯仿/乙醇(体积比为3:10)沉降，得到式Ⅸ所化合物BDD-IN。本专利技术还提供一种光伏小分子给体在制备太阳能器件中的应用，所述太阳能器件包括活性层，所述活性层中的电子给体材料为BDD-IN。优选的，所述太阳能器件包括阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极，所述活性层中的电子给体材料为BDD-IN、电子受体材料为PC71BM。优选的，所述太阳能器件的结构为：ITO/PEDOT:PSS/光伏小分子给体:PC71BM/ETL-1/Al，以[6,6]-苯基C71丁酸甲酯(PC71BM)为电子受体材料，ITO(氧化铟锡，阳极)透明导电玻璃作为阳极，以PEDOT:PSS作为阳极修饰层，以Al作为阴极，以富勒烯衍生物ETL-1作为阴极修饰层。其中，EDOT是EDOT(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。优选的，所述活性层光伏小分子给体:PC71BM为经氯仿溶剂蒸气退火处理后的活性层。与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：本专利技术提供的光伏小分子给体为以苯并二噻吩二酮(BDD)为中心给体单元、1,3-茚满二酮(IN)为封端受体单元，以TBT作为π桥的可溶液处理的A1-π-A2-π-A1型小分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小分子光伏给体，其特征在于，所述小分子光伏给体为BDD‑IN，所述BDD‑IN以苯并二噻吩二酮为中心给体单元、1,3‑茚满二酮为封端受体单元和TBT作为π桥，所述小分子给体如式Ⅸ所示：

【技术特征摘要】
1.一种小分子光伏给体，其特征在于，所述小分子光伏给体为BDD-IN，所述BDD-IN以苯并二噻吩二酮为中心给体单元、1,3-茚满二酮为封端受体单元和TBT作为π桥，所述小分子给体如式Ⅸ所示：2.一种制备权利要求1所述光伏小分子给体的方法，其特征在于，所述制备方法包含以下步骤：(1)将式Ⅰ所示化合物和式Ⅱ所示化合物，溶于有机溶剂A中，在钯类催化剂的作用下加热，发生Stille交叉偶联反应，得到式Ⅲ所示化合物；(2)在氩气保护下，将正丁基锂滴加到式Ⅲ所示化合物的有机溶剂B中，再加入三甲基氯化锡，得到式Ⅳ所示化合物TBT-Sn；(3)将式Ⅳ所示化合物和式Ⅴ所示化合物溶于有机溶剂A中，在钯类催化剂的作用下加热，得到式Ⅵ所示化合物；(4)将三氯氧磷(POCl3)滴加到DMF中形成的混合物转移至式Ⅵ所示化合物的有机溶剂C中，得到式Ⅶ所示化合物；(5)将式Ⅶ所示化合物与式Ⅷ所示化合物溶于有机溶剂D中，在哌啶作用下发生Knoevenagel缩合反应，得到式Ⅸ所示化合物BDD-IN；其中，R为乙基己基。3.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张倩，邱化玉，陈显杰，林志靖，王兆龙，徐欣，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33