[发明专利]一种引达省A-D-A型小分子化合物及其制备方法

说明书

本发明公开了一种引达省A‑D‑A型小分子化合物及其制备方法，以及作为光活性层材料在有机光伏器件中的应用。该类化合物具有以下通式结构：其基于引达省(茚并二噻吩)稠环作为给电子单元(D)，以噻吩环为桥连单元，在噻吩环的4位引入拉电子单元(A)，利用A单元在噻吩取代位置差异，调节材料的HOMO能级和吸收特性，从而获得增强的光电转换效率。

技术领域

本发明属光电功能材料领域，具体涉及一种引达省A-D-A型小分子化合物及其制备方法，以及该类分子作为光活性层中的n型材料在有机光伏(OPV)器件中的应用。

背景技术

太阳能电池是一种能将太阳能直接转化为电能的光电器件，其中有机太阳能电池拥有成本低、重量轻、柔性、可溶液加工并且可以大面积制备等优点，已经成为光伏研究中最为活跃的领域之一，发展迅速，当前该领域研究的焦点是开发高效的给体和受体材料作为光活性层，应用于器件中来提高器件光电转换效率。目前光活性层材料的研究前期主要集中于富勒烯及其衍生物，但是富勒烯及其衍生物有一定缺点，如可见光区吸收较弱、能级调控困难、溶解度差不利于纯化等[G.Li,R.Zhu,Y.Yang Nat.Photonics 2012,6,153.]。近年来，非富勒烯类小分子电子受体材料因为其能级可调、合成简便、制作成本低、溶解性能优异等吸引了众多关注，主要有基于酰亚胺、芴基衍生物、苯噻唑、吡咯并吡咯二酮、并五苯等新型n-型电子受体材料用于光伏电池，此类材料在太阳光光谱中比富勒烯及其衍生物材料具有更宽的吸收范围。但是大多此类材料在制作OPV器件时有能隙较宽、电荷传输速率较低、薄膜形态不易调控等缺点。2015年Zhan等[J.Mater.Chem.A.2015,3:1910]合成了基于二噻吩并引达省受体分子，稠环有利于π共轭框架的延伸，得到高的电子迁移率，且这类分子的推拉结构，能诱导更高效的分子内电荷转移，从而拓宽材料的吸收光谱，其与窄带系的给体聚合物材料PTB7-Th共混，器件效率达到了6.31％。目前小分子受体材料研发与富勒烯受体材料已经旗鼓相当，用于制备光伏器件取得了理想的转换效率，作为电子受体用于制备有机光伏电池，其性能已经达到甚至超越富勒烯类电子受体。

为了进一步拓宽这类A-D-A型小分子的吸收波段，Hou等人报道了具有近红外吸收特性的A-D-A型非富勒烯受体材料[Adv.Mater.2016,28,8283-8287]，由于这类材料的吸收光谱处于近红外波段，难以找寻吸收光谱匹配性好的单一聚合物给体材料与之形成光谱互补，应用于两元共混的单层有机光伏电池中取得的光电转换效率一般小于10％，通过引入第二种聚合物给体或者第二种受体材料的方法实现光谱匹配，能够将光电转换效率进行提升。但是第三组分的引入使得调节活性层形貌和结晶性、三元组分表界面以及能级匹配等较为复杂，也增加了电池制备工艺的难度。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明提供一种引达省A-D-A型小分子化合物，以满足光伏电池光活化层电子受体材料的需要，这种结构可以实现对光电性能的调节，以满足光伏电池光活化层电子受体材料的需要，将其用于高效有机光伏电池，利用位阻效应、取代基的推拉电子特性等，调节材料的HOMO和LUMO能级以及光谱吸收范围，实现器件光电转换效率的提升。

为了实现上述任务，本发明设计的引达省A-D-A型小分子化合物通式结构如下：

其中，R₁独立地为氢原子、碳原子数为1～20的烷基、碳原子数为1～20的烷氧基、碳原子数为1～20的烷基酯基，R₂独立地为碳原子数为1～20的烷基、碳原子数为1～20烷基或烷氧基取代的苯基、碳原子数为1～20烷基或烷氧基取代的噻吩基，其中拉电子单元A₁及A₂为独立自选如下结构之一：

A₁及A₂结构中R₃为碳原子数为1～12的烷基。