[发明专利]一种螺芴类衍生物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于有机太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种螺芴类衍生物及其制备方法和应用。

背景技术

太阳能是人类取之不尽、用之不竭、清洁无污染的可再生能源。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，包括无机太阳能电池和有机太阳能电池。

有机太阳能电池是一种正在进行研究的新型太阳能电池，与无机太阳能电池相比，具有质轻、价廉、可溶液处理、高的机械柔性、可制成柔性大面积器件等优点，其历史可追溯到1958年，Kearns和Calvin将镁酞菁染料层夹在两个功函数不同的电极之间支撑了第一个有机光电转化器件，观察到了200mV的开路电压，同无机太阳能电池相比，光电转化效率极低。在此后的二十年之间，有机太阳能电池领域内创新不多。

1986年，柯达公司的邓青云博士将四羧基苝的一种衍生物和铜酞菁组成的双层膜，将两层膜分别与两个电极进行连接制成了有机太阳能电池，该有机太阳能电池的光电转化效率达到1％左右，虽然与无机太阳能电池相差较远，但是已经是一个很大的突破。该有机太阳能电池中的双层膜本质是一个异质结，相当于用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池，该种双层膜异质结的结构为有机太阳能电池研究开拓了一个新的方向，时至今日这种结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。

双层膜异质结型有机太阳能电池的双层膜分别为作为给体和受体，其中，作为给体的有机半导体材料吸收光子后产生空穴-电子对，电子注入到作为受体的半导体材料中，空穴和电子得到分离。在这种体系中，电子给体为p型，电子受体则为n型，从而空穴和电子分别传输到两个电极上，形成光电流。

可溶型有机小分子材料具有明确分子结构，单分散性，可重复合成及提纯步骤等优点，已成为可应用溶液加工技术制备有机太阳能电池的理想材料之一。而可溶性有机小分子应用于有机太阳能电池中需要具有较好的成膜性，与受体材料能级匹配并有良好的相容性。因此窄带系，高迁移率的可溶性有机给体小分子是一类具有发展前景的光伏材料。

螺芴类芳香化合物具有较大的共轭体系和特有的螺共轭效应，这种特有的结构特性导致在固态分子发生缠结，有效地防止了结晶的形成，因而几乎所有这种具有无定形态螺旋结构的材料都具有较高的玻璃转换温度，同时可以有效减少分子聚集或激发复合物的形成，从而更能有效地提高，有机电致发光器件的光纯度和稳定性。因此，合成出新的能较好的吸收太阳光的螺芴类衍生物具有重要的应用意义。

发明内容

本发明提供了一种螺芴类衍生物及其制备方法和应用，该螺芴类衍生物对可见光具有较好的吸收作用，可以用于小分子给体材料。

一种螺芴类衍生物，其结构如式(I)所示；

式(I)中，R¹、R²、R³和R⁴为端基受体基团，独立地选自如式(I-a)、式(I-b)或式(I-c)所示的基团：

式(I-a)、式(I-b)和式(I-c)中，“*”表示连接位置。

所述的螺芴类衍生物中心的螺芴结构为大的共轭结构，该共轭结构有利于发生电离给出电子，同时该螺芴类衍生物含有端基受体基团，其吸电子效应可以有效地加强所述螺芴类衍生物，从而可以应用于小分子给体材料。

作为优选，所述的螺芴类衍生物为化合物I-1，化合物I-2或化合物I-3；

化合物I-1的结构式如下：

化合物I-2的结构式如下：

化合物I-3的结构式如下：

这些有机化合物的结构对称，易于制备和合成。

本发明还提供了上述的螺芴类衍生物的制备方法，包括如下步骤：

(1)在惰性气体保护下，钯催化剂存在的条件下，4，7-二溴苯并噻二唑与4-己基-2-三丁基锡噻吩发生Stille偶联反应，经后处理得到化合物II，化合物II的结构如下：

(2)在惰性气体保护下，化合物II与N，N-二甲基甲酰胺和三氯氧磷进行维尔斯迈尔-哈克反应，经后处理得到化合物III，化合物III的结构如下：

(3)在避光条件下，化合物III与N-溴代丁二酰亚胺发生溴代反应，经后处理得到化合物IV，化合物IV的结构如下：