[发明专利]一种具有宽光谱吸收的有机太阳能电池材料

说明书

技术领域

本发明属于有机太阳能电池材料设计、合成领域，具体涉及一种具有宽光谱吸收的有机太阳能电池材料及其制备方法和应用。

背景技术

开发低成本的太阳能电池的有效途径之一就是从材料入手，寻找廉价，环境稳定性高，具有良好光伏效应的新型太阳能电池材料。有机半导体材料以其原料易得，廉价，制备工艺简单，环境稳定性高，有良好的光伏效应等优点，日益被人们所重视。氟硼二吡咯（BODIPY）染料具有较高的荧光量子产率和摩尔消光系数；良好的光、热稳定性；不易受到溶剂极性和pH值等环境的影响；最大吸收与发射在可见光区，并且容易通过化学修饰延长其吸收范围至近红外区。因上述特点，BODIPY染料可作为一类理想的有机太阳能电池材料，并已获得了较高的能量转换效率，但通常使用的氟硼二吡咯材料的吸收都非常窄，只有其特征的Q带(460-520 nm附近)，这大大限制了其在太阳能电池中的应用。C₆₀的最低空轨道LUMO是一个能量相对较低的三重简并态轨道，其能量仅比其最高占有轨道HOMO的能量高1.5-2.0 eV，这使得C₆₀成为目前最受欢迎的电子受体。C₆₀因其特殊的球形结构，能对外来的电子起到稳定作用，导致产生长寿命的电荷分离态，对于电荷复合而引起的光电转换损失能有效的控制。但富勒烯和其他材料的兼容性引起的相分离和簇效应影响电池的光电效率。解决的办法是通过共价键把富勒烯和电子给体键连起来形成D-A二元体系。为了拓宽氟硼二吡咯材料的吸收范围，我们通过Knoevenagel缩合反应在BODIPY的3,5位引入了三苯胺，使化合物对太阳光谱具有强而宽的吸收（300-800 nm），同时引入C₆₀作为电子受体，从而成功的合成了具有宽光谱吸收，高电荷分离效率的BODIPY-C₆₀共轭物。该共轭物有望在太阳能电池中获得应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有宽光谱吸收的有机太阳能电池材料及其制备方法和应用，此化合物结构单一，不存在异构体，产品容易提纯；合成方法比较简单，副反应少，产率较高，原料易得，成本低，有利于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有宽光谱吸收的有机太阳能电池材料为氟硼二吡咯-富勒烯共轭物，其分子式为：C_127+m+4nH_56+2m+8nBF₂N₅O₂，m = 1-5, n = 0-6；化学结构式如下：

。

制备如上所述的具有宽光谱吸收的有机太阳能电池材料的方法包括如下步骤：

（1）以2,4-二甲基吡咯、4-羟基苯甲醛、2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌和三氟化硼乙醚为起始原料，合成化合物1a，其结构式为；

（2）接着以1a、4-[二(4-R基苯基）胺基]苯甲醛，R=C_2nH_2n+1，n = 0-6为起始物，合成化合物1b，其结构式为；

（3）再以1b和二溴代烷C_m+1H_2(m+1)Br₂，m = 1-5为起始物，合成化合物1c，其结构式为；

（4）然后以1c和4-羟基苯甲醛为起始物，合成化合物1d，其结构式为；

（5）最后以1d、C₆₀和肌氨酸为起始物，合成氟硼二吡咯-富勒烯共轭物1e。

步骤（1）的制备过程包括：将2,4-二甲基吡咯、对羟基苯甲醛按摩尔比为2-5：1-2加入四氢呋喃中，往该溶液中加入1-2滴三氟乙酸，于10-30℃下反应20-24小时，然后加入1-2倍当量的2,3-二氯-5,6-二氰对苯醌，继续反应3-6小时后，三乙胺和三氟化硼乙醚按当量为33-43：40-50在冰浴条件下加入反应体系中，反应结束后用硅藻土过滤除去黑色固体，旋转蒸发除去四氢呋喃，剩余物用二氯甲烷溶解，用水和碳酸氢钠溶液洗涤粗产品，随后以二氯甲烷为洗脱剂，硅胶柱层析分离得到化合物1a。