【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太阳能电池，具体涉及一种基于苝二酰亚胺的化合物及其制备方法和应用、一种用于有机太阳能电池的有机材料层的组合物、一种有机太阳能电池。
技术介绍
1、有机太阳能电池以其生产成本低、重量轻、机械柔性好、环境友好等独特优势而受到广泛关注。尽管有机太阳能电池已经取得了很大的进展，但与无机太阳能电池相比，先进的有机太阳能电池仍然存在光伏性能差的问题，有必要进一步提高功率转换效率，以满足商业应用的要求。
2、太阳能电池的光伏性能直接受到由富电子(给体)和缺电子(受体)材料混合而成的活性层的影响。开发新的施主材料和受主材料对于提高光伏效率至关重要。在缺电子(受体)材料中，苝二酰亚胺(pdi)因其高电子迁移率、强吸收系数、高热稳定性和易调能级而显示出巨大的潜力。然而，pdi单元的大平面π共轭骨架容易在共混膜中形成大尺寸的聚集体，这阻碍了形成适合电荷分离和传输的膜形态。
3、cn111471060a公开了一种氧稠合苝二酰亚胺二聚体小分子受体材料及其制备方法与应用。该受体材料弥补了s和se稠合的苝二酰亚胺受体材料电荷迁移率低的缺点，有利于增强分子间相互作用，拥有优良的光吸收和载流子传输性能，在有机太阳能电池中可实现高的短路电流(jsc)和光电转换效率/能量转换效率(pce达到9.0％以上)，且该受体材料具有良好的溶解性，易溶于常见有机溶剂。但是由于pdi单元的严重扭曲，通过单个键合的pdi二聚体使得电荷迁移率降低。此外，氧原子嵌入苝二酰亚胺中形成五元环总是不稳定的，因为氧原子的小尺寸导致五元环出现应变，使得光电转
4、cn112552318a提供了一种苝二酰亚胺衍生物，由于其呈四臂星型，能够有效的减弱分子间的π-π相互作用，抑制其在成膜过程中的自聚集作用。因此，将其作为有机太阳能电池中的受体材料，与聚合物给体共混可以获得合适的相分离形貌，提高光电转化效率，更有利于有机太阳能电池的商业化。但是，苝二亚胺单元通过苯环连接到中心大平面结构上，使结构更平面，从而导致太阳能电池器件形成过程中的强自聚集。进而这些类型的分子表现出低的光电转换效率。
5、因此，在不降低电荷迁移率的情况下，具有可控聚集行为的精确分子设计对于高性能太阳能电池至关重要。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了克服受体分子在共混膜过程中自聚集导致光伏性能差的缺陷。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术的专利技术人开发了一种a-d-a型发色团，它们包括两个缺电子苝二酰亚胺和一个富电子咔唑。该结构的咔唑中的n-环化能够增强给电子能力，改进的推拉效应能够提高生色团的捕光能力；扁平咔唑供体核能有效分离pdi臂，抑制其聚集；咔唑基的n上连接柔性支链烷基能够提高溶解性，从而改善受体分子与聚合物给体在共混中的聚集性，以提高光伏性能。此外，专利技术人在研究过程中还发现咔唑的n上连接的碳链越长，基于a-d-a型苝二酰亚胺的受体分子在邻二氯苯和氯仿等溶剂中的溶解性越好。但是该化合物在太阳能电池中的溶解度不能太大或太小，因此n上连接的支链烷基不能太短也不能太长。
3、为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种基于苝二酰亚胺的化合物，该化合物具有式(i)所示结构，
4、
5、其中，在式(i)中，
6、r1为c10-c22的烷基；
7、各个r2各自独立地选自c5-c25的烷基；
8、各个x各自独立地选自s、se中的一种，或者各个x均不存在。
9、优选地，在式(i)中，
10、r1为c14-c18的烷基；
11、各个r2相同，且选自c9-c13的烷基；
12、各个x相同，且选自s、se中的一种，或者各个x均不存在。
13、优选地，式(i)所示化合物为以下化合物中的任意一种：
14、化合物1：
15、化合物2：
16、化合物3：
17、本专利技术第二方面提供一种制备式(i)所示的基于苝二酰亚胺的化合物的方法，该方法包括以下步骤：
18、在保护气氛下，在溶剂、催化剂、碱性物质存在下，将式(a)所示化合物与式(b)所示化合物进行偶联反应，得到式(i)所示化合物；
19、
20、
21、其中，在式(a)、式(b)、式(i)中，各个r2、r1、x的定义与第一方面的定义对应相同。
22、优选地，所述式(a)所示化合物与式(b)所示化合物的用量摩尔比为1：1-4。
23、优选地，所述式(a)所示化合物与式(b)所示化合物的用量摩尔比为1：2-3。
24、优选地，所述溶剂为四氢呋喃与水的混合溶液；所述保护气氛选自氮气、氩气中的至少一种。
25、优选地，所述催化剂为四(三苯基膦)钯。
26、优选地，所述碱性物质为碳酸钾、碳酸钠中的至少一种。
27、优选地，所述偶联反应的条件至少满足：温度为55-75℃，时间为48-72h。
28、本专利技术第三方面提供第一方面所述的基于苝二酰亚胺的化合物在制备有机太阳能电池中作为受体材料的应用。
29、本专利技术第四方面提供一种用于有机太阳能电池的活性层的组合物，所述组合物中含有电子供体和电子受体，所述电子受体为第一方面所述的基于苝二酰亚胺的化合物，所述电子供体为pbdb-t。
30、优选地，所述电子供体和电子受体的含量质量比为1：0.5-1.5。
31、优选地，所述组合物中还包括添加剂，所述添加剂为1,8-二碘辛烷和/或1-氯代萘。
32、本专利技术第五方面提供一种有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池包括阴极、阳极、以及阴极与阳极之间的活性层，所述活性层含有第四方面所述的组合物。
33、优选地，所述有机太阳能电池还包括电子传输层和空穴传输层。
34、与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
35、(1)本专利技术提供的式(i)所示的化合物中pdi单元具有大的平面π共轭骨架，能够促进激子的产生和电荷输运；
36、(2)本专利技术提供的式(i)所示化合物中扁平咔唑供体核的双轴刚性骨架能有效分离pdi臂，产生扭曲构象，抑制其在成膜过程中的自聚集作用，从而提高光伏性能；
37、(3)本专利技术提供的式(i)所示化合物中，将柔性的支链烷基接枝到咔唑基的n上，能够提高其溶解性并改善两个pdi臂之间的空间位阻。
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1.一种基于苝二酰亚胺的化合物，其特征在于，该化合物具有式(I)所示结构，
2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，在式(I)中，
3.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，式(I)所示化合物为以下化合物中的任意一种：
4.一种制备式(I)所示的基于苝二酰亚胺的化合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述式(A)所示化合物与式(B)所示化合物的用量摩尔比为1：1-4；
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述溶剂为四氢呋喃与水的混合溶液；所述保护气氛选自氮气、氩气中的至少一种；
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述偶联反应的条件至少满足：温度为55-75℃，时间为48-72h。
8.权利要求1-3中任意一项所述的基于苝二酰亚胺的化合物在制备有机太阳能电池中作为受体材料的应用。
9.一种用于有机太阳能电池的活性层的组合物，其特征在于，所述组合物中含有电子供体和电子受体，所述电子受体为权利要求1-3中
10.一种有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池包括阴极、阳极、以及阴极与阳极之间的活性层，所述活性层含有权利要求9所述的组合物；
...【技术特征摘要】
1.一种基于苝二酰亚胺的化合物，其特征在于，该化合物具有式(i)所示结构，
2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，在式(i)中，
3.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，式(i)所示化合物为以下化合物中的任意一种：
4.一种制备式(i)所示的基于苝二酰亚胺的化合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述式(a)所示化合物与式(b)所示化合物的用量摩尔比为1：1-4；
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述溶剂为四氢呋喃与水的混合溶液；所述保护气氛选自氮气、氩气中的至少一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德·比拉尔·艾哈迈德·库雷希，胡恒广，闫冬成，张玉娇，
申请(专利权)人：河北光兴半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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