[发明专利]一类A-D-D′-A型非对称有机光伏受体材料及其应用

说明书

本发明属于有机光伏技术领域，特别涉及一类A‑D‑D'‑A型非对称有机光伏受体材料及其应用。以烷氧基茚并噻吩和环戊二烯并二噻吩双电子给体(D‑D')单元共同构建含非共价键构型锁的骨架，并采用氟、氯原子取代的3‑(二氰基亚甲基)茚‑1‑酮修饰其末端。仅包含简单稠环的受体具有共平面骨架、低能量无序度和J‑聚集倾向等多方面优势，这类非对称的小分子受体光学带隙在1.30‑1.45eV的范围内可控调节，能够与大多数给体材料组合，构建高效的本体异质结二元有机太阳能电池。当给体材料为聚合物PM6时，其二元OSCs器件能量转换效率高达13.67％，开路电压为0.85eV，E_loss仅为0.50V。

技术领域

本发明属于有机光伏技术领域，具体涉及一类结构简单、基于A-D-D′-A型非对称有机光伏受体材料及其在有机太阳能电池中的应用。

背景技术

简单稠环类小分子受体材料(稠环数≤3)在有机太阳能电池中的发展明显滞后于大稠环类小分子受体材料(稠环数＞3)。此类材料的报道大多为具有对称结构的A-D-C-D-A型小分子，其中D单元主要为二噻吩并环戊二烯(DTC)。到目前为止，基于这类受体材料与PBDB-T，PM6或J52等聚合物给体混合时的二元太阳能电池器件效率通常为10-14％。但由于含DTC单元的化合物成本较高，光稳定性较差，以及中心核(以碳-碳单键相连的C单元)的存在容易对光伏性能造成不利的影响(H-聚集和电子迁移率降低)。

茚并噻吩具有共平面性和良好的稳定性，但由非对称的结构简单的茚并噻吩单元，构建结构简单的小分子受体研究甚少，因此，如何利用不对称的茚并噻吩结构单元构筑高效的、结构简单的稠环类小分子受体材料是小分子受体材料前沿研究的重要课题。

发明内容

针对目前结构简单的小分子光伏受体材料存在能量转换效率低和E_loss较大等关键问题，本发明提供一类结构简单的A-D-D′-A型的非对称小分子受体材料。

本发明通过非共价键构型锁的平面分子设计策略，合成了一类结构简单的非对称A-D-D′-A型窄带隙小分子受体材料。这类小分子受体材料是将烷氧基引入茚并噻吩的苯环上，再与DTC的噻吩环形成非共价键构象锁，在保证材料溶解性的同时，可进行能级和带隙微调，并促进其冷结晶，进而调控材料的光物理、电化学以及聚集行为，从而改善其光伏器件的性能。由于苯环衍生物来源广泛，可同时引入多种官能团。因此，这类非对称A-D-D′-A型小分子受体材料对于发展低成本、高效的有机太阳能电池具有重大意义。

本发明提供的基于烷氧基茚并噻吩的A-D-D′-A型小分子受体材料具有以下通式1所示结构：

其中，R¹，R²，R³分别是原子数为C₁～C₂₀的直链或含支链的烷基；X为H，F，Cl原子。

A-D-D′-A型小分子受体材料SM1-4为式2所示结构：

本发明的烷氧基茚并噻吩是由2-溴-4-甲氧基苯甲酸经过酯化反应、suzuki偶联反应、傅克酰基化反应、黄鸣龙还原反应等经典反应制得。

本发明的应用在于：将设计合成的非对称A-D-D′-A型有机小分子材料作为近红外吸收剂用于光活性层中，制作二元或三元有机太阳电池器件。

所述的有机太阳电池器件包括氧化锡铟(ITO)导电玻璃、阳极、阳极修饰层、光活性层、阴极修饰层、阴极。活性层材料采用本发明所述的小分子受体材料与商品化的聚合物给体材料(例如PM6)共混(二者共混的质量比为1:1.5)，以1-氯萘作为溶剂添加剂，先后通过热退火和CS₂蒸汽退火，实现基于简单、高效小分子受体的有机太阳能电池的制备。