[发明专利]用于有机光伏的卟啉材料的设计和合成

说明书

本发明提供了为本体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSCs)而设计和合成的卟啉小分子取代物。提供了具有强大且有序的自组装性质的合成材料，导致形成双连续的、相互贯穿网络，这是有机太阳能电池中有效电荷分离和传输所必需的。基于本发明所描述的实施方案中的太阳能电池器件的功率转换效率(PCE)，在迄今为止以卟啉小分子为基元的溶液加工的BHJ太阳能电池中具有最高的PCE。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年6月29日提交的美国临时专利申请序列号62/356,018和2017年6月28日提交的美国非临时专利申请序列号15/635,563的优先权，其所公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及的卟啉小分子具有用于本体异质结(bulk heterojunction，BHJ)有机太阳能电池(organic solar cells，OSCs)的用途。所提供的合成材料具有强大且有序的自组装特性，导致形成双连续的(bi-continuous)、相互贯穿的网络，其在有机太阳能电池中可以被用于有效电荷分离和传输。与基于卟啉小分子的传统溶液加工的(solutionprocessed)BHJ太阳能电池器件相比，基于本发明所述的实施方式中的太阳能电池的功率转换效率(power conversion efficiency，PCE)可以具有高的PCE。

背景技术

溶液加工有机光伏被认为是对无机太阳能电池的一种最有前途的可替代的下一代绿色技术。在某种程度上，他们已经吸引了大量的注意，部分地是由于他们潜在的生态友好性和低成本的将太阳能转换成清洁电力，由于，例如，它们的溶液可加工性、有机太阳能电池(OSCs)的重量轻和柔韧性。

由于单结面(single-junction)本体异质结(BHJ)聚合物OSCs已实现了功率转换效率(PCE)高达13.2％的卓越改进，近来小分子(SM)BHJ OSCs正被进行认真的研究。

相对于单结面BHJ聚合物OSCs，小分子BHJ OSCs具有多种优点。这些优点包括，例如，与其聚合物对应物相比，小分子具有确定的分子结构和分子量，高纯度和良好的批次间再现性。

这些性质具有使研究人员更好地理解分子结构和器件性能之间的关系的潜能。它们还可以提供设计更高性能光伏材料的途径，并最终实现商业应用，特别是用于单层电池结构的基于溶液加工小分子的太阳能电池的PCEs显著地增加到高达10％，这缩小了与广泛研究的以聚合物为基元的太阳能电池的之间的差距。

受到利用叶绿素来吸收光并实现光化学电荷分离以储存光能的天然光合作用系统的启发，从OSC研究开始就已经探索了作为活性物质的卟啉及其衍生物。然而，以他们为基元的BHJ OSCs的PCE传统上是非常低的。

本发明的目的是提供用于构建BHJ OSC的材料来实现更高PCEs。

发明内容

本发明涉及设计并合成用于本体异质结(BHJ)有机太阳能电池(OSC)的卟啉小分子。本发明提供具有强大且有序的自组装性质的合成材料，导致形成双连续的，相互贯穿的网络，其是在有机太阳能电池中有效电荷分离和传输必需的。基于本发明所描述的实施方案中的太阳能电池器件的功率转换效率(PCE)，在迄今为止以卟啉小分子为基元的溶液加工的BHJ太阳能电池中具有最高的PCE。

本公开的一个方面，所提供的是具有由类型1，类型2，类型3或类型4表示的分子式的卟啉小分子：

其中所述，

m是选自2、3、4或5的整数；