一种非富勒烯电子受体材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种非富勒烯电子受体材料及其制备方法与应用，该材料以给电子结构为中心核单元，五元融合稠环为臂单元，端基使用3

【技术实现步骤摘要】
一种非富勒烯电子受体材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于光电材料和应用领域，具体涉及到一种非富勒烯电子受体材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]有机太阳能电池因其制作简单、重量轻、柔性、低毒性和原材料丰富等优点被认为是最有潜力的光伏技术之一。具有双连续互穿网络结构的体异质结太阳能电池的能量转换效率不断提高，最近已提高到18％以上。其中，电子供体(D)材料和电子受体(A)材料结合的活性层对功率转化效率起着决定性作用。因此，如何设计高效的有机半导体材料成为提高器件性能的关键。在众多的小分子非富勒烯电子受体材料中，星形电子受体不仅保持了非富勒烯材料的普遍优势，如光吸收强、能级可调、溶解性好和形态稳定性高等，还具有富勒烯的高电子迁移率和各向同性电荷传输特性。此外，它的三维几何结构有利于分子内电荷转移，这将减少能隙(Eg)和扩大吸收范围。而且三维结构也能有效抑制过度聚集，有利于激子解离。目前，最高效率几乎是通过使用A
‑
D
‑
A型非富勒烯电子受体材料实现，星形小分子电子受体也可以设计成以给电子单元为中心单元，以吸电子单元为外围单元，形成A
‑
D
‑
A结构。对于A
‑
D
‑
A型非富勒烯电子受体材料来说，HOMO主要依靠吸电子单元(外围单元)，而LUMO主要依靠给电子单元(中心单元)。因此，HOMO和LUMO能级可以通过改变给电子单元或吸电子单元来调节，这样，星形分子可以实现窄带隙。此外，星形分子的三维几何形状可以形成纳米尺度的相分离，这有利于激子解离。
[0003]如何实现共面结构和扭曲结构上的平衡以达到良好的π
‑
π堆积促进电荷转移，避免分子的过度聚集，是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种非富勒烯电子受体材料及其制备方法与应用，可以使用溶液加工如旋涂、丝网印刷或喷墨打印的方法制备正置器件结构以及倒置器件结构的有机太阳能电池器件，也可以用于采用串联的方式制备大面积叠层有机太阳能电池器件。通过优化器件结构和实施条件实现优异的光电特性，可以克服富勒烯电子受体高度对称的波函数导致的光学跃迁被禁止、材料薄膜稳定性差以及线性电子受体三维方向上各向同性电荷传输受限等技术问题。
[0005]本专利技术有益效果：本专利技术提供一种非富勒烯电子受体材料，该材料以给电子结构为中心核单元，五元融合稠环为臂单元，采用侧基修饰，端基使用3
‑
(二氰基亚甲基)靛酮及其衍生物等吸电子基团进行封端；通过邬尔
‑
齐格勒反应、维尔斯麦尔
‑
哈克反应、Suzuki反应等一系列过程合成了此类材料，该材料具有合成过程成熟易控、合成产物容易分离提纯、合成产率高等优势；中心核单元的共轭结构以及臂单元的稠环结构使材料拥有优异的薄膜稳定性、高的电荷迁移率和出色的摩尔吸光系数，侧链基团则赋予材料优异的溶解性和成膜性。本专利技术制得的非富勒烯电子受体材料适用于旋涂、丝网印刷、喷墨打印等加工方式，
能与活性层电子给体材料进行有效的光谱互补吸收和能级匹配，从而形成高效的有机太阳能电池器件；另外，其可广泛应用于有机太阳能电池正置器件结构以及倒置器件结构中，也可用于串联叠层有机太阳能电池器件中。
附图说明
[0006]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0007]图1为本专利技术实施例1中的化合物S
‑
1的1H NMR谱图。
[0008]图2为本专利技术实施例1中的化合物S
‑
1的
13
C NMR谱图。
[0009]图3为本专利技术实施例1中的化合物S
‑
1的紫外可见光吸收光谱曲线。
[0010]图4为本专利技术实施例16中的有机太阳能器件结构示意图。
[0011]图5为本专利技术实施例1中S
‑
1化合物的制备步骤图。
[0012]图6为本专利技术实施例2中S
‑
2化合物的制备步骤图。
[0013]图7为本专利技术实施例3中S
‑
7化合物的制备步骤图。
[0014]图8为本专利技术实施例4中S
‑
10化合物的制备步骤图。
[0015]图9为本专利技术实施例5中S
‑
13化合物的制备步骤图。
[0016]图10为本专利技术实施例6中S
‑
16化合物的制备步骤图。
[0017]图11为本专利技术实施例7中S
‑
19化合物的制备步骤图。
[0018]图12为本专利技术实施例8中S
‑
22化合物的制备步骤图。
[0019]图13为本专利技术实施例9中S
‑
23化合物的制备步骤图。
[0020]图14为本专利技术实施例10中S
‑
24化合物的制备步骤图。
[0021]图15为本专利技术实施例11中S
‑
25化合物的制备步骤图。
[0022]图16为本专利技术实施例12中S
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26化合物的制备步骤图。
[0023]图17为本专利技术实施例13中S
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31化合物的制备步骤图。
[0024]图18为本专利技术实施例14中S
‑
33化合物的制备步骤图。
[0025]图19为本专利技术实施例15中S
‑
40化合物的制备步骤图。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。
[0027]本实施例提供的非富勒烯电子受体材料可以是如下的结构：
[0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035][0036]实施例1
[0037]S
‑
1化合物的制备见图5；
[0038]具体步骤如下：
[0039]第Ⅰ步：取4,4,9,9
‑
四辛基
‑
4,9
‑
二氢
‑
s
‑
茚满[1,2
‑
b:5,6
‑
b']二噻吩(a)(996.0mg，1.394mmol)、N
‑
N二甲基甲酰胺(b)(157.9mg，1.812mmol)和三氯氧磷(256.5mg，1.673mmol)于反应烧瓶中，再加入20mL 1,2
‑
二氯乙烷，在100℃条件下反应24h。得到的母液用水洗涤，并用二氯甲烷萃取，用无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非富勒烯电子受体材料，其特征在于：该材料以给电子结构为中心核单元，五元融合稠环为臂单元，采用侧基修饰，端基使用3
‑
(二氰基亚甲基)靛酮)及其衍生物等基团进行封端，得到的一种星形非富勒烯电子受体材料，具有如下式Ⅰ或式Ⅱ所示的结构通式：其中，Ar选自如下式III的结构中的一种：
其中，R
’
为C1
‑
C30烷基、烷氧基、烷苯基、烷苯氧基、芳基中的一种；*为链接位点；侧基R选自下式Ⅳ结构中的一种：式Ⅳ中，0≤n≤20，n为自然数；X为H、CH3、Br、F、Cl中的一种或两种组合。2.如权利要求1所述非富勒烯电子受体材料，其特征在于：所述材料为如下式
Ⅴ‑
XX
Ⅵ
结构中的任一种化合物：
其中，R
’
为C1
‑
C30烷基、烷氧基、烷苯基、烷苯氧基、芳基中的一种；侧基R选自下式
ⅠⅤ
结构中的一种：式Ⅳ中，0≤n≤20，n为自然数；X为H、CH3、Br、F、Cl中的一种或两种组合。3.一种如权利要求1或2中任一所述的非富勒烯电子受体材料的制备方法，其特征在于：包括以下合成路线及合成步骤：
步骤(1)：将反应物(a)、反应物(b)和强氧化剂加入到密闭反应瓶中，再注入一定量的有机溶剂使其溶解，惰性气体保护环境中在一定温度条件下反应一段时间。得到的母液用有机溶剂和水萃取，再经干燥剂干燥，然后经减压蒸馏蒸出多余溶剂，经硅胶色谱柱纯化，最后干燥得到化合物(c)；步骤(2)：将步骤(1)的产物化合物(c)加入到反应容器中并溶解于有机溶剂中，在黑暗条件下放入冰水混合物中搅拌。然后溶解于有机溶剂的(d)逐滴注射入反应容器中，惰性气体保护环境下在一定温度下反应一定时间，得到的母液用有机溶剂和水萃取，再经干燥剂干燥，然后经减压蒸馏蒸出多余溶剂，经硅胶色谱柱纯化，得到化合物(e)；步骤(3)：将步骤(2)的产物化合物(e)、化合物(f)、四丁基溴化铵以及四三苯基膦钯加入到反应容器中并溶解在有机溶剂中，惰性气体保护环境下在在一定温度条件下反应一段时间，再经萃取、纯化，得到化合物(g)；步骤(4)：将步骤(3)的产物化合物(g)、化合物(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖文勇，张超，汪洋，李祥春，耿海港，闵洁，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：