[发明专利]一种基于多取代苯并环戊二酮衍生物的A-D-A共轭分子及其应用

说明书

本发明公开一种基于多取代苯并环戊二酮衍生物的A‑D‑A共轭分子及其应用，所述共轭分子的应用化学结构通式为：本发明通过同时在苯并环戊二酮衍生物封端基团上引入推电子和拉电子单元，以及调整推电子和拉电子单元的数目来调整其性质，从而达到调控基于该基团的A‑D‑A型小分子受体分子材料光物理性质的目的，并最终提升基于该分子的太阳能电池的能量转换效率。

技术领域

本发明涉及共轭分子领域，尤其涉及一种基于多取代苯并环戊二酮衍生物的A-D-A共轭分子及其应用。

背景技术

有机太阳能电池是一种以有机物作为光吸收材料的太阳能电池。相比于无机太阳能电池，有机太阳能电池的潜在优点包括成本低、质轻、可制备柔性器件以及可溶液加工等，因而获得了学术界和工业界的广泛关注(Chem.Rev.2007,107,1324-1338)。有机薄膜太阳能电池的活性层常采用体异质结结构，该结构可以有效地促进激子的分离。其中，活性层中包括两种组分，即电子给体和电子受体(Adv.Mater.2009,21,1323-1338)。富勒烯及其衍生物具有电化学能级低、电子迁移率高、有三维电子传输以及聚集态形貌好等优点，因而在之前的研究中常被作为电子受体材料应用于有机太阳能电池中。但是，富勒烯及其衍生物存在的可见光区几乎无吸收、吸收和能级难以调节、纯化困难和成本较高等问题，阻碍了它们的实际应用(Energy.Environ.Sci.2012,5,8343-8350)。值得注意的是，非富勒烯类有机小分子材料可以通过调整分子中不同单元的性质，如溶解性烷基链长度、平面性和推/拉电子性，来调节其性质，如电化学能级、吸收光谱以及结晶性能等。通过调整优化作为电子受体材料的小分子材料的性质，我们可以提升有机太阳能电池的能量转换效率。目前，基于非富勒烯小分子受体的太阳能电池的效率已经超过13％(J.Am.Chem.Soc.2017,139,7148-7151)。

A-D-A型的非富勒烯小分子受体分子可以通过调整其末端基团(A)的拉电子性能以及其中间单元(D)的平面性等来调整其光物理性质，如光学带隙、电化学能级以及结晶性能，从而提高有机太阳能电池器件的短路电流、开路电压以及填充因子。研究表明，对末端基团进行修饰，可调整A-D-A型分子的性质，从而改善基于此类分子的太阳能电池性能。例如，在末端基团上单独地引入给电子取代单元(烷基或者烷氧基)，可适当地提升分子的HOMO能级，从而提升开路电压(Adv.Mater.2016,28,9423-9429)。在末端基团上单独地引入拉电子取代单元(氟或者氯)，可以使A-D-A型分子的吸收光谱向近红外波段扩展，从而增加器件的短路电流(J.Am.Chem.Soc.2017,139,1336-1343)。因此对A-D-A型分子的末端进行修饰是一种提升基于该类分子的太阳能电池性能的有效的方法。

基于以上背景，现有技术在材料设计和器件制备方面的解决方案还有待改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于多取代苯并环戊二酮衍生物的A-D-A共轭分子及其应用，旨在解决现有光吸收材料的物理性质调控困难以及能量转换效率较低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种基于多取代苯并环戊二酮衍生物的A-D-A共轭分子，其中，其化学结构通式为：其中，n为0-6的整数，X为硫原子或硒原子，R₅、R₆独立地选自氢原子，卤素原子，碳原子数为C₁-C₅₀的烷基、烷氧基、烷硫基或含有卤原子的烷基；碳原子数为C₆-C₅₀的芳基或杂环芳基，所述的芳基或杂环芳基上连接有烷基、烷氧基或烷硫基；所述两个基团A为推电子和拉电子单元同时修饰的苯并环戊二酮衍生物；所述基团D独立的选自