一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1-π-A2)2型共轭小分子及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑

【技术实现步骤摘要】
一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子及其制备方法


[0001]本专利技术涉及有机光伏
，具体涉及一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子及其制备方法。

技术介绍

[0002]有机光伏电池由于具有成本低、质量轻、可溶液制备成大面积柔性器件等优势，受到了全球科研工作者的广泛关注。近二十年来，富勒烯衍生物(如：PC
61
BM、PC
71
BM等)由于具有较大的电子亲和性、较高的电子迁移率以及各向同性电子传输能力等优点，被广泛用作电子受体材料，实现了高达11％的器件光电转换效率(PCE)(如Nat.Energy,2016,1:15027)，对有机光伏电池的飞速发展起到了举足轻重的作用。然而，该类材料自身的缺陷，如制备和提纯成本高、在可见光区吸收能力弱、能级水平调控较难等，在一定程度上又限制了有机光伏电池性能的进一步提升。而且，通常文献报道的有机光伏电池体系中所使用的活性层给体材料大多只能吸收太阳光谱中的可见光，吸收峰峰值大多数分布在400
‑
750nm之间，约48％的红外光没有得到有效的开发利用。如果能探索出吸收可以拓宽至1000nm的具有近红外吸收功能的理想活性层材料，有机光伏电池的PCE有望进一步得到提升，从而实现商业化应用。因此，发展高效率的窄带隙型活性层材料至关重要。
[0003]近年来，非富勒烯电子受体材料的兴起为开发具有近红外吸收的窄带隙有机活性层材料开辟了新的道路。目前，已报道的近红外非富勒烯小分子受体材料均采用A
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D
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A或者A
‑
π
‑
D
‑
π
‑
A型分子构建策略，取得了显著的进展，相关器件的PCE已经突破18％，表现出了无限的潜力。但是超窄带隙类光伏材料的种类仍有限，为实现高能量转换效率的有机光伏电池的制备，新型近红外活性层材料的设计与开发至关重要。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一类全新的、以稠环单元为核的D(A1‑
π
‑
A2)2型窄带隙共轭小分子材料及其制备方法，该D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子具有确定的分子结构和分子量，易合成纯化、批次重复性高，具有更窄的带隙，具有优异的近红外吸收性能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术首先提供了一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子，其结构通式如式I所示：
[0006][0007]其中，R1选自以下基团中的一种：(1)碳原子数为C5～C
30
的直链或含支链的烷基、
烷氧基或烷硫基；(2)碳原子数为C5～C
30
的芳基或杂环芳基；
[0008]X为O、S、Se杂原子中的任一种；
[0009]吸电子基团A1选自以下基团中的一种：
[0010][0011]其中：R2为C5～C
30
的直链或含支链的烷基；
[0012]吸电子基团A2选自于以下基团中的一种：
[0013][0014]其中：X1、Y1为氢原子、氟原子或氯原子中的任一种；R3为C5～C
30
的直链或含支链的烷基。
[0015]作为优选，所述D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子为结构式如下式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ或
Ⅴ
所示：
[0016][0017][0018]其中，R1为碳原子数为C5～C
30
的直链或含支链的烷基、烷氧基或烷硫基；R2为C5～C
30
的直链或含支链的烷基；R3为C5～C
30
的直链或含支链的烷基；
[0019]X为O、S、Se杂原子中的一种。
[0020]作为优选，所述D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子结构式如下式VI或式VII所示：
[0021][0022]基于一个总的专利技术构思，本专利技术还提供了一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子的制备方法，包括以下步骤：
[0023]S1、将单溴取代的A1单元化合物与含醛基的芳香环或者芳香杂环的硼酸、硼酸酯或者有机锡化合物在钯催化剂催化下进行交叉偶联反应，得到中间体化合物；
[0024]S2、将步骤S1中得到的中间体化合物经溴化后，再与中心稠环双锡化合物在钯催化剂催化条件下进行交叉偶联反应，得到双醛化合物；
[0025]S3、将步骤S2得到的双醛化合物与吸电子基团A2缩合反应，获得产物D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子。
[0026]作为优选，所述步骤S1和步骤S2中钯催化剂的加入量为3～10％mol。
[0027]作为优选，所述步骤S2中经溴化后的中间体化合物与中心稠环双锡化合物的摩尔比为2～5:1。
[0028]相比如现有技术，本专利技术开发的共轭小分子材料具有以下优点：
[0029]1、本专利技术提供的基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子，该类材料的分子结构特点是：以二芳基并引达省稠环为推电子(D)单元、噻吩为π桥单元，通过选用和搭配不同性质的吸电子基团A1及A2，构建一类可吸收近红外光的窄带隙共轭小分子活性层材料。由于二芳基并引达省稠环单元具有刚性的平面结构，D(A1‑
π
‑
A2)2构型具有叠加的D
‑
A作用，稠环单元上的多元取代基具有良好的调节溶解能力，双元电子受体单元(A1，A2)具有较好的调节能级能力，因此这类材料具有良好的溶解性、近红外的光吸收能力以及合适的能级；
[0030]2、本专利技术提供的共轭小分子材料具有更有序的分子间堆积状态，超窄帯隙的材料，可以吸收更多的太阳光，获得高的短路电流；该类材料可通过调节双元受体单元的吸电子特性，成为光活性层中的电子给体或者电子受体材料，适合作为电子给体或者电子受体材料；其优异的近红外吸收性能，可作为光活性层材料提高器件的太阳光利用率，也可作为红外探测材料，获得比探测率高的小分子光电探测器件，可广泛应用于有机光伏电池和有机光电探测器中；
[0031]3、本专利技术提供的基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
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A2)2型共轭小分子具有确定的分子结构和分子量，优异的稳定性，能易合成纯化、批次重复性高，具备良好的应用前景。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实验例1中共轭分子IDT(DPP
‑
TDRCN)2的热失重曲线；
[0033]图2为本专利技术实验例1中共轭分子IDT(TID
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
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A2)2型共轭小分子，其特征在于，其结构通式如式I所示：其中，R1选自以下基团中的一种：(1)碳原子数为C5～C
30
的直链或含支链的烷基、烷氧基或烷硫基；(2)碳原子数为C5～C
30
的芳基或杂环芳基；X为O、S、Se杂原子中的任一种；吸电子基团A1选自以下基团中的一种：其中：R2为C5～C
30
的直链或含支链的烷基；吸电子基团A2选自于以下基团中的一种：其中：X1、Y1为氢原子、氟原子或氯原子中的任一种；R3为C5～C
30
的直链或含支链的烷基。2.根据权利要求1所述的一种基于二芳基并引达省稠环单元的D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子，其特征在于：所述D(A1‑
π
‑
A2)2型共轭小分子为结构式如下式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ或
Ⅴ
所示：
其中，R1为碳原子数为C5～C
30
的直链或含支链的烷基、烷氧基或烷硫基；R2为C5～C
30
的直链或含支链的烷基；R3为C5～C
30

【专利技术属性】
技术研发人员：彭文红，吴涛，邓继勇，陶强，张伟杰，颜东，匡纪炜，
申请(专利权)人：湖南工程学院，
类型：发明
国别省市：