[发明专利]一类烷氧基取代的芳香稠环结构单元及其合成方法与应用

说明书

本发明公开了一种烷氧基取代稠环共轭结构以及基于该结构的稠环共轭小分子受体材料的制备方法及其在光伏器件中的应用。烷氧基取代稠环共轭结构式如式I所示，基于烷氧基取代稠环共轭结构的小分子受体结构式如式I’所示。本发明提供的制备上述烷氧基取代稠环共轭结构以及基于这种结构的有机小分子受体的方法，原料廉价，合成工艺简单，操作方便、产物产率高且可以克计量以上合成，经仪器检测所得化合物结构正确，稳定性好，且所述材料的光电性能得到了很大的调控，具有较好的电荷传输性能以及合适的电子能级，能够作为电子受体材料与宽或中等带隙p‑型小分子或聚合物给体材料匹配，应用于非富勒烯有机太阳能电池中。

技术领域

本发明涉及一类烷氧基取代的芳香稠环结构单元及其合成方法与应用。

背景技术

能源问题日益成为全球迫在眉睫需要解决的问题，而太阳能具有清洁、绿色无污染、取之不尽、用之不竭等优点而最具发展应用前景，开发和利用太阳能将是一种有效应对能源危机的解决方法。到目前为止，经过对分子结构、器件结构和加工工艺的优化，基于聚合物给体或有机分子给体与n-型有机半导体(n-OS)小分子受体共混制备的有机太阳能电池的光电转化效率已突破12％，这显示出有机太阳能电池的巨大应用前景(见李永舫Acc.Chem.Res.,2012,45(5),723–73；李永舫等《聚合物太阳电池材料和器件》；W.H.Zhao,S.S.Li,H.F.Yao,S.H.Zhang,Y.Zhang,B.Yang,J.H.Hou,J.Am.Chem.Soc.,2017,139,7148-7151)。但是现有的基于n-OS小分子受体的聚合物太阳能电池仍存在着诸多缺点，如光伏材料制备步骤复杂，稳定性较差等。因此，近年来研究人员为了进一步提高有机太阳能电池的光电转换效率、降低材料的制备成本、提高材料活性层的稳定性，合成了一系列的新型稠环共轭结构用于小分子受体材料中。用这类材料与不同的聚合物给体材料共混制备太阳能电池时，表现出了一定的光伏性能，但仍然有给受体能级、吸收、共混不匹配等诸多问题。另外，这类分子的结构复杂，材料的制备过程繁琐会导致成本增加，从而不利于材料的商业化应用，因此开发出一类制备过程简单、能耗低、且吸收能级可调控的光伏材料对将来的实际应用非常重要。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种烷氧基取代稠环共轭结构以及基于该结构单元的n-OS受体光伏材料。

本发明提供的烷氧基取代稠环共轭结构，其结构通式如式I所示，

式I中，Ar₁为共轭芳环或由所述共轭芳环构筑形成的稠环，所述共轭芳环为噻吩、并噻吩、苯环、呋喃或硒吩；

R₁、R₂和R₃相同或不同，均独立地选自H、烷基或共轭芳环中任一种，所述烷基为碳原子数为C1～C30(优选C1～C16，更优选C1～C10)的直链或支链烷基；所述共轭芳环为噻吩、并噻吩、苯环、呋喃或硒吩。

本发明进一步提供了式I所示烷氧基取代稠环共轭结构的制备方法，包括如下步骤：

1)在惰性气氛中，将式A所示的原料A、正丁基锂与联硼酸频那醇酯进行反应，得到式B所示的硼酸酯；

式A中，N为F、Cl、Br或I，R1的定义同式I；

式B中，R1的定义同式A；

2)在钯催化剂存在下，将式B所示的硼酸酯与式C所示的卤代芳环进行反应，得到式D所示的中间产物；

式C中，N为F、Cl、Br或I,R为碳原子数为C1～C30(优选C1～C16)的直链或支链烷基，Ar₁的定义同式I；

式D中，Ar₁、R的定义同式C，R1的定义同式A；