一类基于8-羟基喹啉铝为核心的苝二酰亚胺非富勒烯受体材料制造技术

本发明专利技术公开了一种宽带隙星型苝二酰亚胺非富勒烯小分子受体材料及其在有机太阳能电池中的应用。本发明专利技术通过将具有吸电子性能以及高电子迁移率的8‑羟基喹啉铝作为核心单元，通过铃木反应在8‑羟基喹啉的5‑位连接上苝二酰亚胺(PDI)或其二聚体(PDI2)，合成了两个8‑羟基喹啉衍生物，并将其与Al

Perylene Diimide Nonfullerene Receptor Materials Based on 8-hydroxyquinoline Aluminum

【技术实现步骤摘要】
一类基于8-羟基喹啉铝为核心的苝二酰亚胺非富勒烯受体材料
本专利技术属于有机半导体材料领域，涉及以8-羟基喹啉铝为核心的苝二酰亚胺类宽带隙小分子受体材料及其制备方法和在有机太阳能电池中的应用。
技术介绍
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，已经受到了人们的广泛关注。其中，有机太阳能电池具有质量轻、柔性、成本低、可卷对卷进行大面积生产等优势，使其具有广阔的应用前景，被广泛认为是下一代太阳能电池的典型代表。在过去的二十年里，通过材料的合成以及器件制备工艺的优化，有机太阳能电池的能量转换效率已经得到了极大的提高，极具产业化前景。对于富勒烯受体体系而言，其存在的一些缺陷，例如：可见光区吸收较弱、合成纯化成本较高、能级调控较困难、易聚集倒置器件稳定性差等，限制了该类光伏器件的进一步发展。针对富勒烯及其衍生物的缺点，发展可替代的、高性能的非富勒烯受体材料势在必行。聚合物给体材料已经得到了长足的发展，涌现了一批诸如PTB7-Th、PPTEA等高效率窄带隙材料。为了与这类材料形成较好的吸收光谱互补，发展可替代富勒烯的高性能宽带隙受体材料显得非常迫切。苝二酰亚胺是一类典型的n-型有机半导体材料，具有很好的光热稳定性、较强的可见光区吸收较以及较高的光量子产率等特点，被广泛应用于有机光伏器件中。然而，苝二酰亚胺类化合物的刚性结构通常会使得该类分子自聚集严重，严重制约了其光伏效率的进一步提高。为了利用苝二酰亚胺的优势制备高效的非富勒烯受体材料，新型的苝二酰亚胺受体材料亟待进一步发展，以解决该类分子自聚集和光伏效率提升的矛盾。目前，已报道的苝二酰亚胺受体材料通常选用电子给体结构作为中间核心单元。为了增强该类受体材料的电子传输性能，采用具有高迁移率、吸电性质的基团作为核心单元，具有很好的优势。在制备基于苝二酰亚胺类受体材料的活性层中，通常要加入1,8-二碘辛烷(DIO)作为添加剂以改善其活性层形貌，但这通常会使得器件开路电压减小，并且器件稳定性也会降低。为了实用化的需要，如何选择合适的添加剂对于制备高效稳定的有机光伏器件显得尤为关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型具有三维结构的苝二酰亚胺类化合物及其制备方法，以及作为受体材料在有机光伏器件中的应用。解决该类材料严重的自聚集，从而有效改善器件光电转换效率。同时，选用具有电子高迁移率、吸电性的8-羟基喹啉铝作为核心单元可以有效提高受体材料的电子迁移率。当加入无卤添加剂4,4’-联吡啶可以有效地调节活性层形貌，增加光电转换效率的同时提升器件的稳定性。本专利技术的技术方案是：一种新型的具有高填充因子的苝二酰亚胺非富勒烯受体材料，具有以下通式结构：其中，X选用Al、Ga或In原子；Ar选用式Ⅱ、式Ⅲ、式Ⅳ中所示的苝二酰胺基团：其中，R1为C1-C12的直链或支链烷基。优选的方案，X为Al原子；R为C1-C12的直链烷基；Ar选用式Ⅰ和式Ⅱ所示的苝二酰胺基团：其中，R优选C1-C6的直链烷基。最优选的基于8-羟基喹啉铝为核心的宽带隙非富勒烯小分子受体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、所专利技术的基于8-羟基喹啉铝为核心的宽带隙非富勒烯小分子受体材料具有良好的溶解性，能够溶于大部分常见有机溶剂中，例如：甲苯、氯仿、氯苯等。2、所专利技术的基于8-羟基喹啉铝为核心的宽带隙非富勒烯小分子受体材料在短波长范围内具有较好的吸收，能与窄带隙材料PPTEA等个体材料形成较好的光学吸收互补。3、所专利技术的基于8-羟基喹啉铝为核心的宽带隙星型非富勒烯小分子受体材料具有较高的电子迁移率。当加入无卤添加剂4,4’-联吡啶于活性层中，能够改善活性层形貌，同时提高器件效率和器件稳定性。附图说明图1为本专利技术的Alq3-PDI小分子受体材料的紫外-可见吸收光谱；图2为本专利技术的Alq3-PDI2小分子受体材料的紫外-可见吸收光谱；图3为应用本专利技术的基于8-羟基喹啉铝为核心的宽带隙非富勒烯小分子受体所制备的有机太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线图。具体实施方式以下通过具体实施例进一步对本专利技术进行说明。实施例1一种化学结构为Alq3-PDI小分子受体，其合成路线如下：化合物3的合成：将化合物1(0.10克,0.28毫摩尔)，化合物2(0.24克,0.33毫摩尔)，2摩尔/升的碳酸钾溶液(2毫升)溶于10毫升甲苯中，除去氧气，氮气保护下加入Pd(PPh3)4(1.3毫克,2％毫摩尔)，回流反应12小时。反应结束后冷却至室温，减压除去溶剂，柱色谱提纯，得到黑色固体产物，收率为52％。化合物3的核磁数据和元素分析数据：核磁氢谱(400MHz,CDCl3,δ/ppm):9.03(m,1H,ArH),8.66-8.73(m,4H,ArH),8.53(s,1H,ArH),7.90-7.93(m,2H,ArH),7.59-7.64(m,3H,ArH),7.43-7.49(m,3H,ArH),7.35-7.39(m,1H,ArH),7.28-7.30(m,1H,ArH),7.21(d,1H,7.3Hz,ArH),5.58(d,2H,7.2Hz,CH2),5.15(d,2H,7.2Hz,CH2),2.11-2.33(m,4H,CH2),1.76-1.96(m,4H,CH2),1.19-1.39(m,16H,CH2),0.78-0.91(m,12H,CH3)。核磁碳谱(100MHz,CDCl3,δ/ppm):153.08,148.66,139.03,134.48,134.36,133.39,130.70,129.17,128.94,128.81,128.70,128.59,127.92,127.25,125.22,123.62,111.09,54.78,54.61,32.09,32.01,29.71,29.37,29.12,29.08,22.64,22.59,14.06,14.01。元素分析(C58H57N3O5):计算值：C,79.51；H,6.56；N,4.80；实测值：C,79.59；H,6.89；N,4.95。化合物4的合成：将化合物3(0.20克,0.23毫摩尔)溶解在50毫升冰乙酸中，再加入15毫升氢溴酸。反应物在120℃下反应2小时。反应结束后，冷却至室温。过滤，所得固体用柱色谱提纯，得到黑色固体产物，收率为56.52％。化合物4的核磁数据和元素分析数据：核磁氢谱(400MHz,CDCl3,δ/ppm):8.81-8.83(m,1H,ArH),8.65-8.75(m,3H,ArH),8.58(s,1H,ArH),7.86-7.93(m,2H,ArH),7.67-7.73(d,1H,7.2Hz,ArH),7.61-7.65(d,1H,7.2Hz,ArH),7.35-7.40(d,1H,6.8Hz,ArH),7.27-7.29(m,2H,ArH),5.04-5.25(m,2H,CH2),2.09-2.33(m,4H,CH2),1.75-1.93(m,4H,CH2),1.17-1.37(m,16H,CH2),0.77-0.91(m,12H,CH3)。核磁碳谱(100MHz,CDCl3,δ/ppm):(100MHz,CDCl3,δ/ppm):154.97,150.15,141.36,138.06,1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于8‑羟基喹啉铝为核心的宽带隙非富勒烯小分子受体材料，其特征在于，所述受体材料的分子结构如式Ⅰ所示：

【技术特征摘要】
1.一种基于8-羟基喹啉铝为核心的宽带隙非富勒烯小分子受体材料，其特征在于，所述受体材料的分子结构如式Ⅰ所示：其中，X选用Al、Ga或In原子；Ar选用式Ⅱ、式Ⅲ、式Ⅳ中所示的苝二酰亚胺基团：其中，R为C1-C12的直链或支链烷基。2.如权利要求1所述的基于8-羟基喹啉铝为核心的宽带隙非富勒烯小分子受体材料，其特征在于X优先选择Al原子。3.如权利要...

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