[发明专利]一类含有七并稠环结构引达省A-D-A型小分子化合物及其制备方法

说明书

本发明公开了一类含有七并稠环结构的引达省A‑D‑A型共轭小分子化合物及其制备方法，以及作为光活性层材料在有机光伏器件中的应用。该类化合物具有以下通式结构：其基于七并稠环作为给电子单元(D)，以噻吩环为桥连单元，噻吩4位为拉电子单元(A)，利用A单元在桥连噻吩上取代位置的差异，调节材料的能级结构和光吸收特性，从而调节光伏电池的开路电压，短路电流等参数，进而提高器件的光电转换效率。

技术领域

本发明属有机光电功能材料领域，具体涉及一类含有七并稠环结构的引达省A-D-A型共轭小分子化合物及其制备方法，以及该类分子作为光活性层中的n型材料在有机光伏(OPV)器件中的应用。

背景技术

在太阳能电池中，有机太阳能电池因其重量轻、成本低、制备过程简单、可制备成柔性器件等优点，已经成为光伏研究中最为活跃的领域之一。光活性层材料是有机太阳能电池的关键光敏层，其性质决定着激子的产生和扩散、电荷的分离和输运，并最终决定着电池的光电转换效率。

光活性层由电子给体材料和电子受体材料组成本体异质结，以共轭聚合物作为电子给体，富勒烯衍生物(PC₆₁BM、PC₇₁BM、ICBA等)作为电子受体，已经使有机太阳能电池的效率突破11％[Nature Energy,2016,1,15027]，意味着有机太阳能电池巨大的应用潜力。但是富勒烯及其衍生物有一定缺点，包括：制备及纯化条件苛刻、可见光区吸收偏弱、能级调控困难、在常见溶剂中的溶解性差、易聚集等[Nat.Photonics 2012,6,153]，这些缺点制约着有机太阳能电池性能的进一步突破。近年来，非富勒烯类小分子电子受体材料因为其制备简单、在长波方向有强吸收、结构和能级可调、溶解性能优异等优点，吸引着科研人员的关注。主要有基于酰亚胺、芴基衍生物、苯噻唑、吡咯并吡咯二酮、并五苯等新型n-型电子受体材料用于光伏电池。苝二酰亚胺(PDI)是太阳能电池中研究最早的一类材料，具有优良的光吸收特性、较宽的太阳光波谱、较高的电子迁移率、可调的最高占有分子轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级、与富勒烯相当的电子亲和能，而且在结构上，可以通过简单地修饰改变酰亚胺母核以及侧位取代基，从而可得到一系列具有优良光电性能的n-型电子受体材料[Adv.Mater.2010,22,3876]，但是此类材料较宽的带隙限制了器件性能的进一步提升；并五苯类及其衍生物易于通过化学修饰调控薄膜形态，以提高电荷传输速率[Adv.Energy.Mater.2011,1,431]；基于苯并噻二唑类材料制作的光伏器件，表现出良好的电子传输性能[Adv.Energy Mater.2013,3,54]。吡咯并吡咯二酮(DPP)[J.Mater.Chem.2010,20,3626]具有宽的光吸收范围，同时具有优异的电化学性能、热力学稳定性和机械加工性能，可以满足制作有机电子器件的工艺要求。占肖卫等[J.Mater.Chem.A.2015,3,1910]开发了基于二噻吩并吲达省类受体分子，稠环延伸了π共轭框架，得到高的电子迁移率，另外，因其分子的电子推拉结构，能诱导更高效的分子内电荷转移，从而拓宽材料的吸收光谱，其与窄带系的给体聚合物材料PTB7-Th共混，器件效率达到了6.31％。该类小分子受体材料通常具有五并稠环或七并稠环的结构，因其优异的性能而引起了广泛关注，作为电子受体用于制备有机光伏电池，其性能已经达到甚至超越富勒烯类电子受体[Adv.Mater.2016,28,1884；Adv.Mater.2016,28,4734；Adv.Mater.2016,28,9423]。另外，这些已报道的结构中，中心稠环与两侧缺电单元之间还可通过噻吩或联噻吩作为桥连单元，并具有较为优异的光电性能[CN 105315298A；Adv.Mater.2016,28,8283；Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,1]。这些材料的缺电单元局限于连接在噻吩桥连单元的5-位，分子骨架多为平面结构，虽然这种结构促使其中一些材料的吸收光谱可红移至近红外波段，但却难以找寻吸收光谱匹配性好的单一聚合物给体材料与之形成光谱互补，基于这些小分子受体的两元共混的单层有机光伏电池，其光电转换效率一般小于10％。

发明内容