[发明专利]一类基于卟啉和富勒烯的单组分光伏材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一类基于卟啉和富勒烯的单组分光伏材料以及制备方法与应用。所述单组分光伏材料以卟啉环为中心骨架，苯并噻二唑和3‑丁炔‑1‑醇作为吸电子基团，通过三键侨联到卟啉上，构成A‑π‑D‑π‑A结构，形成推拉电子效应，有效调节单组分电池给体部分的能级，同时将富勒烯衍生物引入到分子中作为受体部分，可以有效起到电子传输的作用。本发明采用A‑π‑D‑π‑A结构作为单组分给体部分，既降低其LUMO能级使得激子能够更好的解离，同时大的共轭的主体结构可以起到有效的传递电荷的作用。与异质结电池相比，单组分电池减少了器件的优化的步骤，同时在器件的稳定性上有所提升，在太阳能电池上具有非常重要的应用前景。

技术领域

本发明属于有机小分子光伏材料领域，具体涉及一类基于卟啉和富勒烯的单组分光伏材料及其制备方法与应用。

背景技术

太阳能是一种可再生的清洁能源，合理利用太阳能是解决未来能源短缺的一种重要途径，因此对太阳能的开发利用也备受关注。太阳能电池作为合理利用太阳能的一种常见手段，截止目前，市场上应用最为广泛的是基于单晶硅，多晶硅的无机半导体太阳能电池，其性能优异效率高。但是仍然存在一系类的缺点限制了其广泛的应用，比如成本高，生产工艺复杂，能耗大等。

有机太阳能电池相对来说生产成本较低，易于加工(如可旋涂、喷墨打印等)、可以用“卷对卷”生产方式，不仅可以简化器件的制备过程，也可以大大降低制备成本。现在应用最广的有机太阳能电池的活性层是采用的给体和受体材料共混的方式制备的异质结电池。对于异质结电池的制备和优化方式，不仅需要调节给受体材料的比例，还得考虑到后续优化方式可能对给受体材料造成的影响，整个器件的稳定性较低，而且优化的方式相对更加复杂。与之相比单组分电池采用的是通过化学键的方式将给体材料和受体材料联接到一起，既实现了激子的解离和传输，又能够简化光伏器件的优化步骤，提高了器件的重复性和稳定性。有机太阳能电池的活性层材料可根据分子量的大小分为聚合物和有机小分子，聚合物容易加工，易成膜，但产物提纯困难，且每批次合成出来的产品由于分子量及其分布存在差异导致太阳能电池光电转换效率存在着一定的差异，而有机小分子却不存在这些问题，因此有机小分子在有机太阳能电池中存在其独特的优势。

卟啉及其衍生物作为一种具有大的π共轭体系和高的摩尔吸光系数小分子，是最早被作为光活性材料应用于有机太阳能电池的材料之一。而富勒烯因为其具有较高的电子迁移率和合适的HUMO和LUMO能级，被广泛的应用于有机光伏领域。

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基于卟啉和富勒烯的单组分光伏材料。

本发明卟啉和富勒烯通过化学键键合成为一个有机小分子的单组分电池材料。其中具有大的π共轭平面的卟啉衍生物作为整个分子的给体部分，用酯基连接的富勒烯作为受体部分，实现了在一个分子内的激子的解离和传输。该材料不仅实现了太阳能到电能的转化，而且还简化了整个器件的优化方式。同时通过改变卟啉上的吸电子基团，有效地调节了分子给体部分的HOMO、LUMO能级，可以进一步达到优化器件光电转化效率的目的。

本发明的另一目的是提供上述一类基于卟啉和富勒烯的单组分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基于卟啉和富勒烯的单组分光伏材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一类基于卟啉和富勒烯的单组分光伏材料，具有以下化学结构：

其中，A为被取代或未被取代的芳香环共轭桥；B为富勒烯PC₆₁BM衍生物或富勒烯PC₇₁BM衍生物；M为金属离子；R为含碳数为6至20的烷基或被取代的芳香基团。

优选地，所述含碳数为6至20的被取代的芳香基团中，芳香基团为由碳氢原子构成的芳香环、由碳氮氧氢原子构成的芳香杂环、由碳硫氢原子构成的芳香杂环以及由碳氮硫氢原子构成的芳香杂环中的一种。