一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法和应用，所述电子给体材料以氮杂碗烯为内核，内核边缘对称连接4或5个芳环并芘结构单元，相邻的芳环并芘结构单元与内核边缘构成单重[n]螺烯，总共包含三或五重[n]螺烯。本发明专利技术的的制备方法简单有效，过程易于控制，所合成的具有三或五重结构的杂[n]螺烯分子具有较高稳定性，可用作有机太阳能电池的电子给体材料，从而提高有机太阳能电池的稳定性与效率。定性与效率。定性与效率。

【技术实现步骤摘要】
一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及太阳能电池材料
，特别涉及一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]太阳能电池因能够直接将太阳能转化为电能而受到广大研究者们的青睐。在众多太阳能电池中，有机太阳能电池(OSCs)由于具有可溶液加工、低成本、柔性和易大面积制备等优点被广泛研究。在过去二三十年的时间里，有机太阳能电池的光电转换效率持续上升。目前，文献报道有机太阳能电池的效率达到19％(Adv.Mater.,2021,33,2102420)，接近商业化的门槛。伴随着越来越多新型材料的问世，有机太阳能电池作为一种新型电池正展现着出前所未有的活力。
[0003]为了提升有机太阳能电池的稳定性与光电转换效率，科学家对有机太阳能电池的活性层进行优化和改良。电子给体材料是有机太阳能电池活性层的关键组成部分之一，优化给体材料对于提高有机太阳能电池的效率和稳定性具有十分重要的意义。目前有机太阳能电池采用的电子给体材料主要是基于平面共轭π体系的聚合物或有机小分子。虽然这些给体材料具有优异的光伏性能，但是，基于平面共轭π体系给体材料的电池在加热或光照条件下，平面共轭分子之间容易发生聚集，导致活性层形貌不稳定，限制了有机太阳能电池器件稳定性的提高，不利于有机太阳能电池的商业化应用。因此，开发新型电子给体材料进而提高有机太阳能电池的稳定性已经成为有机太阳能电池进一步发展的关键之一。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供了一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法，以用于有机太阳能电池的电子给体材料，提高有机太阳能电池的稳定性和效率。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料，所述电子给体材料以氮杂碗烯为内核，内核边缘对称连接4或5个芳环并芘结构单元，相邻的芳环并芘结构单元与内核边缘构成单重[n]螺烯，总共包含三或五重[n]螺烯，其化学结构式如下：
[0007][0008]其中，n为邻位稠合芳香环的个数，m为芳环并芘结构单元的个数，Q为芳环或并芳环单元，选自芳香环及其衍生物；R1和R2分别选自H原子、芳基、胺基、卤素原子或碳原子数为1
‑
10直链或支链烷基、碳原子数为1
‑
10直链或支链烷氧基、碳原子数为1
‑
10直链或支链
烷硫基以及碳原子数为1
‑
10直链或支链的胺中的任意一种。
[0009]进一步地，所述Q的化学结构式为以下任意一种：
[0010][0011]其中，X为氧原子、硫原子、硒原子或氮原子中的任意一种；R1
‑
R8分别选自H原子、芳基、胺基、卤素原子或碳原子数为1
‑
10直链或支链烷基、碳原子数为1
‑
10直链或支链烷氧基、碳原子数为1
‑
10直链或支链烷硫基以及碳原子数为1
‑
10直链或支链的胺中的任意一种。
[0012]进一步地，当所述内核边缘对称连接5个苯并芘结构单元，Q为苯基、R1为丙氧基、R2为H原子、m等于5时，所述电子给体材料为氮杂五重[7]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即N
‑
Q7H，所述N
‑
Q7H的化学结构式为：
[0013][0014]进一步地，当所述内核边缘对称连接5个芳环并芘结构单元，Q为萘基、R1为二甲基
‑
苯基、R2为叔丁基、m等于5时，所述电子给体材料为氮杂五重[9]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即N
‑
Q9H，所述N
‑
Q9H的化学结构式为：
[0015][0016]进一步地，当所述内核边缘对称连接5个芳环并芘结构单元，Q为苯并噻吩、R1为H原子、R2为叔丁基、m等于5时，所述电子给体材料为硫、氮杂五重[9]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即SNQ9H，所述SNQ9H的化学结构式为：
[0017][0018]进一步地，当所述内核边缘对称连接5个芳环并芘结构单元，Q为噻吩、R1为甲基、R2为叔丁基、m等于5时，所述电子给体材料为硫、氮杂五重[7]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即SNQ7H，所述SNQ7H的化学结构式为：
[0019][0020]进一步地，当所述内核边缘对称连接4个芳环并芘结构单元，Q为噻吩、R1为甲基、R2为叔丁基、m等于4时，所述电子给体材料为硫、氮杂三重[7]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即SNT7H，所述SNT7H的化学结构式为：
[0021][0022]一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料的制备方法，包括如下步骤：
[0023]S1、五苯并氮杂碗烯与双联频哪醇硼酸酯在铱催化剂的作用下实现碳
‑
氢键硼酯化，得到五苯并氮杂碗烯
‑
五硼酯和五苯并氮杂碗烯
‑
四硼酯反应合成子；
[0024]S2、将步骤S1中的五苯并氮杂碗烯的四或五硼酯化合物与碘代的三联苯或衍生物溶于130℃的有机溶剂中，在碱和钯催化剂的作用下加热反应12h，进行Suzuki
‑
Miyaura偶联反应，然后通过Scholl反应进行分子内脱氢环化反应得到三或五重杂[n]螺烯分子用作有机太阳能电池给体材料。
[0025]进一步地，所述Suzuki
‑
Miyaura偶联反应采用的碱为碳酸钾、磷酸钾和碳酸铯中的任意一种或多种；所述Suzuki
‑
Miyaura偶联反应采用的有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺。
[0026]一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料的应用，所述电子给体材料应用于有机太阳能电池。
[0027]采用上述技术方案后，本专利技术与
技术介绍
相比，具有如下优点：
[0028]1、本专利技术的电子给体材料是独特的以氮杂碗烯为核的三或五重杂[n]螺烯结构，具有较好的溶解性和给电子性质，与富勒烯类电子受体具有较好的能级匹配，有利于调控分子的能级，此外，其拥有较大π共轭体系的非平面分子，可以调整分子的堆积，为整个给体分子形成更大的π共轭体系，获得具有较高稳定性的电子给体材料，可用作有机太阳能电池的电子给体材料，从而提高有机太阳能电池的稳定性与效率。
[0029]2、本专利技术的电子给体材料以五并并氮杂碗烯分子为核，引入不同的芳环或并芳环单元构建不同重数、不同螺数的螺烯结构，其优点为：一是以非平面的氮杂碗烯作为分子内核，能有效提高给体分子与富勒烯等受体材料的相互作用力；二是螺烯的独特螺旋结构，在有机溶剂中具有更好的溶解性；三是氮杂碗烯内核拥有较大π共轭体系的非平面分子，为整个给体材料分子形成更大的π共轭体系，为获得了一类具有宽光谱吸收的螺烯基电子给体材料提供了基础。
[0030]3、本专利技术的电子给体材料的制备方法简单有效，过程易于控制，首次合成了具有三或五重结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料，其特征在于：所述电子给体材料以氮杂碗烯为内核，内核边缘对称连接4或5个芳环并芘结构单元，相邻的芳环并芘结构单元与内核边缘构成单重[n]螺烯，总共包含三或五重[n]螺烯，其化学结构式如下：其中，n为邻位稠合芳香环的个数，m为芳环并芘结构单元的个数，Q为芳环或并芳环单元，选自芳香环及其衍生物；R1和R2分别选自H原子、芳基、胺基、卤素原子或碳原子数为1
‑
10直链或支链烷基、碳原子数为1
‑
10直链或支链烷氧基、碳原子数为1
‑
10直链或支链烷硫基以及碳原子数为1
‑
10直链或支链的胺中的任意一种。2.如权利要求1所述的一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料，其特征在于：所述Q的化学结构式为以下任意一种：其中，X为氧原子、硫原子、硒原子或氮原子中的任意一种；R1
‑
R8分别选自H原子、芳基、胺基、卤素原子或碳原子数为1
‑
10直链或支链烷基、碳原子数为1
‑
10直链或支链烷氧基、碳原子数为1
‑
10直链或支链烷硫基以及碳原子数为1
‑
10直链或支链的胺中的任意一种。3.如权利要求1
‑
2任一项所述的一种五重杂[7]螺烯电子给体材料，其特征在于：当所述内核边缘对称连接5个苯并芘结构单元，Q为苯基、R1为丙氧基、R2为H原子、m等于5时，所述电子给体材料为氮杂五重[7]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即N
‑
Q7H，所述N
‑
Q7H的化学结构式为：
4.如权利要求1
‑
2任一项所述的一种五重杂[9]螺烯电子给体材料，其特征在于：当所述内核边缘对称连接5个芳环并芘结构单元，Q为萘基、R1为二甲基
‑
苯基、R2为叔丁基、m等于5时，所述电子给体材料为氮杂五重[9]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即N
‑
Q9H，所述N
‑
Q9H的化学结构式为：5.如权利要求1
‑
2任一项所述的一种五重氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢素原，巫殷福，张玲，陈斌文，张前炎，邓林龙，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：