[发明专利]一类β-卟啉小分子有机光伏材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一类β‑卟啉小分子有机光伏材料及其制备方法与应用。本发明以卟啉环为基本骨架，在两个meso位上引入烷基侧链，同时通过对四个β位的活化引入四个强吸电子单元，满足卟啉材料加工溶解性的同时提供更多的修饰位点。另外通过改变吸电子基团的吸电子能力，还可以有效地调节小分子的HOMO、LUMO能级。本发明所述方法以β‑4Bpin卟啉作为反应原料，通过简单反应，得到含有四个β位炔基的单体，最后通过钯催化与不同的受体单元偶联得到多个β‑卟啉小分子有机光伏材料。本发明的卟啉小分子有机光伏材料采用溶液加工方法制备的有机光伏电池具有较好的器件性能，拓宽了卟啉类有机光伏材料的分子设计和研究。

技术领域

本发明属于小分子有机光伏材料领域，具体涉及一类β-卟啉小分子有机光伏材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着全球化石能源的日益减少以及环境污染的日益加重，人们越来越重视可再生能源技术的开发利用。有机太阳电池技术能直接将太阳辐射能转化成电能，被认为是最有希望解决能源问题的技术。与传统无机太阳能电池相比，它具有成本低、厚度薄、质量轻、可卷对卷生产做成大面积柔性器件等优点，主要缺点是较低的能量转换效率，稳定性差和强度低。其中聚合物材料存在批次差异等问题一定程度上限制了其发展。而小分子给体材料具有结构确定，光谱吸收及能级易调控，无批次差异等特点吸引了许多研究者们的兴趣。

近年来在有机太阳能电池(OSCs)中，非富勒烯受体(NFAs)由于其能级可调，价格低廉，稳定性良好等优点备受关注。在2016年，占肖卫团队合成的两端带有强吸电子单元氰基的稠环分子ITIC，将NFAs体系OSCs的效率提升至11％以上。2019年，邹应萍团队开发的A-D-A-D-A型NFAs Y6体系效率超过16％，后续研究对Y6体系进行各种分子改性及器件优化，效率已过18％，显示出了开发新NFAs的巨大潜力。

卟啉具有大的π共轭体系和高的摩尔吸光系数，通过一系列可行的分子设计优化得到的A-D-A型分子具有消光系数高、平面性好的特点，可以用于制备高效的有机太阳能电池。以往开发的卟啉有机光伏受体材料都是对meso位进行修饰取代，通过炔桥连接强吸电子单元，合成了两面炔卟啉小分子受体和四面炔卟啉小分子受体。通过与能级相匹配的常用聚合物给体混合做活性层，研究了这些卟啉小分子的光伏性能。然而，对于卟啉8个β位的修饰取代从未应用于有机光伏材料。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一类β-卟啉小分子有机光伏材料，可以在满足卟啉材料加工溶解性的同时，提供更多的修饰位点，同时通过改变吸电子基团的吸电子能力，有效地调节小分子的HOMO、LUMO能级。本发明填补了关于β位取代卟啉小分子有机光伏材料的研究空缺。

本发明的另一目的在于提供上述一类β-卟啉小分子有机光伏材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述一类β-卟啉小分子有机光伏材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一类β-卟啉小分子有机光伏材料，具有以下化学结构：

其中，R为含碳数为1～20的烷基；M为金属离子；A为端基染料基团。

优选地，所述M为锌离子、铜离子、镁离子或镍离子。

优选地，所述A为以下结构单元中的一种：

其中，R为H或含碳数为1～20的烷基。

上述一类β-卟啉小分子有机光伏材料的制备方法，包括以下步骤：

在氮气或惰性气体保护下，将β-4炔基卟啉和溴化物溶于溶剂中，加入四(三苯基磷)合钯和碘化亚铜，于60～80℃下避光反应16～72小时，纯化，得到β-卟啉小分子有机光伏材料。