[发明专利]一种含氮杂梯形稠环的受体材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种含氮杂梯形稠环的受体材料、其制备方法及应用。该材料通过在稠环中心引入氮原子而增加共轭体系电子云密度，从而提高目标非富勒烯受体材料的最低未占据分子轨道能级，并拓宽材料的吸收光谱，这有利于在太阳能电池中同时获得高开路电压和大短路电流；其次，所述的非富勒受体避免了使用空间位阻过大的SP³杂化碳原子，这能够促进分子骨架间的π‑π堆积，提高目标受体材料的载流子传输性能；再次，通过在氮桥和中心苯环上的两侧同时各引入2个含支链烷基增加一定的空间位阻，可以在抑制目标受体材料在混合膜中的过分聚集的同时确保材料的良好溶解性能。

技术领域

本申请涉及含氮杂梯形稠环的小分子受体材料、其制备方法及在有机太阳能电池的电子受体材料方面的应用，属于有机太阳能电池材料制备技术领域。

背景技术

有机太阳能电池是采用有机半导体材料来收集和转化太阳能的一种电池器件。该类电池具有原材料丰富、成本低、制备工艺简单等特点，在大面积工业化生产中具有明显的优势，因此成为光伏领域的研究热点。

传统有机太阳能电池的研究主要围绕富勒烯衍生物类电子受体展开。然而，该类材料自身的缺陷，如在可见光区吸收能力弱以及电子能级和光学带隙调控难等，在一定程度上限制了有机太阳能电池效率的进一步提升。目前，富勒烯类二元有机太阳能电池的效率仍低于12％(Zhao et al，Nature Energy，2016，1，15027)。为了解决上述问题，众多新型非富勒烯小分子受体材料被陆续开发出来。基于非富勒烯受体材料的电池器件通常具有较宽的光谱吸收范围和较低的能量损失，因而具有更高的器件转换效率。例如单节非富勒烯太阳能电池在能量损失低至0.5eV条件下仍获得了9.5％的转化效率(Ma et al，Chemistryof Materials，2017，29，9775)。

为了进一步提升有机太阳能电池的光电转换效率以满足商业化应用需求，有必要设计并合成新型高效率非富勒烯小分子受体材料。一般认为引入SP³杂化的碳原子是获得高性能非富勒烯小分子受体材料的必要条件。通过SP³碳原子上引入烷基侧链可以在增加材料溶解性的同时抑制目标受体材料在混合膜中的过分聚集，从而获得理想的活性层形貌。因此，目前对于非富勒烯小分子受体材料的研究主要集中在含SP³碳桥的梯形稠环分子材料体系。相比之下，以SP²杂化氮原子为桥的非富勒烯小分子受体材料却鲜有报道。相对于SP³碳原子，SP²氮原子的引入能够增强稠环富电子中间核的推电子能力，进而拓宽受体材料的吸收光谱，但是该类受体材料优异的刚性平面结构使其具有强烈的自聚集倾向，致使其活性层形成较大尺寸的相分离，最终导致器件性能较差。如何在含SP²氮原子的稠环体系中实现对共轭稠环分子聚集态的精确调控是有机光伏领域的一个挑战。

发明内容

针对以上问题，本发明的第一个目的在于提供一种含氮杂梯形稠环的受体材料，该类材料具有宽的吸收光谱，合适的分子堆积性能和较高的载流子传输性能。

如何在含SP²氮原子的稠环体系中实现对共轭稠环分子聚集态的精确调控是有机光伏领域的一个挑战。在本发明中，首次提出利用共轭稠环分子骨架上相邻侧链的空间位阻来调控分子聚体态行为。发明人在实现本发明的过程中意外发现：当相邻的侧链都是空间位阻小的直链烷基时，材料分子结晶好、聚集严重，材料光伏性能差；而当相邻的侧链都是空间位阻大的含支链烷基时，材料分子的结晶性降低，严重聚集获得明显改善，材料光伏性能大幅度提高。发明人通过大量实验得到了适当的侧链优化方案，可以获得与给体聚合物具有合适相分离尺寸的非富勒烯小分子受体材料。与含SP³碳原子的梯形稠环分子受体材料相比，该类新型含氮杂梯形稠环的受体材料具有更高的载流子迁移性能，因而具有更好光伏性能。

所述含氮杂梯形稠环的受体材料，所述含氮杂梯形稠环的受体材料具有式I、式II所示结构中的至少一种：

其中：