[发明专利]基于九并稠杂环类共轭小分子及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种基于九并稠杂环类共轭小分子及其制备方法与应用。所述方法以2,5‑二溴对苯二甲酸二乙酯为原料，经过一系列偶联、成环、缩合等反应步骤，合成了具有大的平面结构的小分子。本发明的基于吡咯并二噻吩的九并稠环单元的A‑D‑A共轭小分子具有良好的热稳定性、溶解性和成膜性；紫外‑可见光吸收光谱和电化学测试表明该类化合物的光学带隙适中，在可见光和近红外光区有着很好的吸收；同时HOMO和LUMO能级较低。是一种具有潜力的有机太阳能电池受体材料或钙钛矿电池电子传输层材料。

技术领域

本发明涉及一类于吡咯并二噻吩的九并稠环的A-D-A共轭分子及其制备方法，以及小分子作为电子受体在有机太阳能电池(OPV)中的应用，属于有机太阳能材料制备领域。

背景技术

可再生能源的推广被视为21世纪解决温室效应、环境污染的最佳方案。太阳能分布广、辐射时间长，将辐射能直接转化为电能，避免了传统发电技术必须经过机械能所造成的能量损失。目前，硅基无机光伏器件已经形成了成熟的工业化应用，由于硅还原过程中大量消耗电能，生产工艺复杂，其生命周期内，单位电量成本远高于传统煤电。与传统硅基及其他无机金属化合物太阳能电池相比，有机太阳能电池易于进行化学结构设计与合成、柔韧性好、器件制备工艺简单等优点，可以更加丰富光伏电池的应用。

相比给体材料的迅速发展，受体材料则发展滞后。以PC₆₁BM和PC₇₁BM为代表的富勒烯衍生物受体材料在过去一段时间占据主导地位，其最高效率达到13.1％(Zhao,J.；Li,Y.；Yang,G.F.；Jiang,K.；Lin,H.R.；Ade,H.；Ma,W.；Yan,H.Efficient Organic SolarCells Processed from Hydrocarbon Solvents.Nat.Energy 2016,1,15027-15033.)。但由于富勒烯衍生物在可见光区域吸收较弱、难于能级调控、提纯困难等，其效率难以进一步提高。因此合成新型受体材料十分必要。

近年来，研究人员合成了一系列新型聚合物及小分子(PDI，DPP等)(Wu,Q.H.；Zhao,D.L.；Schneider,A.M.；Chen,W.；Yu,L.P.Covalently Bound Clusters of Alpha-Substituted PDI Rival Electron Acceptors to Fullerene for Organic SolarCells.J.Am.Chem.Soc.2016,138,7248-7251.Lin,Y.Z.；Cheng,P.；Li,Y.F.；Zhan,X.W.A3D star-shaped non-fullerene acceptor for solution-processed organic solarcells with a high open-circuit voltage of 1.18 V.Chem.Commun.2012,48(39),4773-4775.)非富勒烯受体材料，其中A-D-A型的小分子材料应用最为成功。由于刚性的平面结构，含有稠环结构的A-D-A型分子拥有很强的分子间π-π相互作用。稠环上烷基或芳烷基取代可以抑制分子间的自聚集效应，以获得合适的相分离尺寸。从器件结果上来说，高的开路电压和高的短路电流很难兼得，如何设计适当带隙(～1.4eV)的受体材料仍然是有机太阳电池研究的重点。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一类在可见光和近红外区域具有较强吸收、合适的能级的基于吡咯并二噻吩的九并稠环的A-D-A共轭分子。

本发明的目的之二在于提供基于吡咯并二噻吩的九并稠环的A-D-A共轭分子合成方法。

本发明的目的之三在于提供基于吡咯并二噻吩的九并稠环的A-D-A共轭分子在聚合物太阳能电池方面的应用。

本发明的基于吡咯并二噻吩的九并稠环单元的A-D-A共轭分子具有以下通式结构：