[发明专利]基于一种硼氮杂环的小分子有机太阳能电池材料及其制备方法

说明书

基于一种硼氮杂环的小分子有机太阳能电池材料及其制备方法，其合成路径为：（1）合成含有硼氮单元的中心结构；（2）通过Stille偶联反应引入桥联单元；（3）通过Knoevenagel缩合反应引入吸电子基团；其分子结构通式为M，其中Ar为芳香类环取代基，A为吸电子基团，π为桥联单元。该类材料（如图M）具有平面性好，属于鲜有的宽带系给体结构，在太阳能电池领域特别是活性层具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及一类含硼氮键的有机半导体材料及其制备方法，这一系列材料属于光电材料与应用技术领域，具体为有机太阳能电池小分子材料。

背景技术

有机太阳能电池由于具有轻质、柔性可大面积加工等优点受到全球广泛关注，活性层材料吸引了大量的科学家的注意和研究。相比而言，聚合材料具有受批次影响，难溶，以及难提纯等缺点。小分子材料具有能级可调、合成简便、加工成本低、溶解性能优异、光谱吸收广泛等优点，因而受到越来越多的重视。

硼是第三主族中原子半径最小的元素，其电子结构1s²2s²2p¹，其中有三个价电子可以参与成键。而氮原子最外层有5个价电子，硼氮单元共有8个价电子。碳碳双键也有8个价电子。因此，硼氮单键和碳碳双键是等电子体。虽然总价电子数相同，但硼氮键是极性键，相比碳碳双键具有偶极取向和不同的电子性质。因此会导致有机分子性质出现明显差异。硼氮分子具有若干优点因而在有机光电领域受到广泛的关注：成膜性好、易加工、热稳定性高、结构明确以及易于提纯。这类材料的结构可分为三个组成部分：中心核、桥联单元和功能性的封端单元。由于中间硼氮核具有很好的平面型，有利于分子间的相互作用，实现分子之间近距离的π-π堆积，从而利于电荷的传输。这种独特性能在有机电致发光、场效应晶体管、有机太阳能电池、电致变色等领域具有广泛的应用前景。

3-(二氰基亚甲基)靛-1-酮、3-乙基绕丹宁，3-乙基-4-二氰基亚甲基绕丹宁等吸电子基团在非线性染料领域被广泛研究，其中华盛顿大学西雅图分校的Alex K.-Y.Jen和佐治亚理工学院的Seth R.Marder教授对此做过深入研究。后来这类吸电子基团被应用在染料敏化太阳能电池，用做封端单元。

硼氮共轭分子特别是以硼氮单元为核，接以桥联基团，以吸电子基团封端的材料，作为有机太阳能电池小分子材料可作为活性层中给体，受体等，在有机太阳能电池的研究历史上是一个空白，因此对于他们的研究非常有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一类硼氮单元为核的有机太阳能电池小分子太阳能电池材料，拓展硼氮材料的应用领域。

本发明提出一类基于D-π-A结构小分子太阳能电池材料，是以硼氮单元为核，以噻吩等为桥，3-(二氰基亚甲基)靛-1-酮、3-乙基绕丹宁，3-乙基-4-二氰基亚甲基绕丹宁等吸电子基团封端的多取代化合物。

本发明技术方案如下。

基于一种硼氮杂环的小分子有机太阳能电池材料，分子结构通式(M)如下：

式中Ar为H或C1～C40的烷基或支链或烷氧链或卤素取代的苯基；A为吸电子基团，R1～R11均为H或C1～C40的烷基或支链或烷氧链或卤素原子的取代基，π为桥联单元；n为1～3；A单元中，当n＝1时为苯，n＝2时为萘，n＝3时为蒽或菲；X为N、O、S、Se、Te中的任一种，Y为H或F。

一种硼氮杂环的小分子有机太阳能电池材料的制备方法，如下所示：

式中Ar为H或C1～C40的烷基或卤素取代的苯基；A为吸电子基团，R10～R11均为H或C1～C40的烷基或支链或烷氧链或卤素原子的取代基，π为桥联单元；n为1～3；A单元中，当n＝1时为苯，n＝2时为萘，n＝3时为蒽、菲；X为N、O、S、Se、Te中的任一种，Y为H或F。