[发明专利]基于引达省并二噻吩类非富勒烯有机太阳能电池受体材料

说明书

本发明公开了一种基于引达省并二噻吩类非富勒烯有机太阳能电子受体材料，该受体材料基于引达省并二噻吩为中心，不同吸电子单元为端基，其中的引达省并二噻吩单元具有刚性的平面结构，可以增强分子内的π‑π堆积，优化分子的结晶性能和电化学性能，能够提高载流子迁移率；同时长的烷基侧链可以提高分子的溶解度，改变活性层的形貌；端基强吸电子单元有利于激子的解离与运输，进一步起到降低能级，减小能隙的作用。本发明受体材料的成膜性较为良好，在可见光近红外范围有较好的吸收，能级适中，同时具有一定的热稳定性，能够与聚合物给体材料匹配，大幅提高有机太阳能电池的能量转换效率。

技术领域

本发明属于太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种基于引达省并噻吩类非富勒烯有机太阳能电池受体材料。

背景技术

最近十几年来，有机太阳能电池发展势头强劲，由于有机太阳能电池的诸多优点，包括制备简单、成本低廉、质量轻便、可大规模生产等，获得了科研人员的关注。传统经典的小分子有机太阳能电池受体材料——富勒烯，已经被证明其许多缺点无法避免及改进，例如能级和紫外吸收的问题。科学家近年来将目光集中于非富勒烯类小分子受体材料。近年来，稠环类电子受体备受关注，其自身结构拥有较大的刚性共轭平面，能够显著增加分子间的π-π堆积，致使内部电荷迁移率得到提升。此外，稠环自身的缺电子特性，不但能使LUMO和HOMO能级变得更深，而且使分子内电荷转移更加容易、能够增大光学吸收及分子堆积。稠环电子受体能够通过修饰分子的主链结构、侧链结构以及端基结构，来便捷地调节分子的构型、溶解性、结晶性、能级、吸收光谱、迁移率和薄膜的形貌等各种性能，从而实现给受体的匹配。

引达省并二噻吩(IDT)单元具有平面线型的结构，此单元的碳骨架通过sp³杂化的碳原子连接，能够使π重叠轨道最大化，形成较强的π-π堆积，降低分子构象的能量无序性。同时，由此形成的平面结构，也有利于分子内的π电子离域，这样对于电荷的传输能够起到一个积极的影响。在之前的研究中，多用于D-A型聚合物材料设计和合成当中。同时，杂化后的碳原子在分子设计上，提供了侧链的位置，通过共价键连接长烷基链，能够大大提高材料的溶解性，降低刚性基团所带来的影响，在后期溶液加工和与给体材料共混成膜都具有良好的相容性。2015年，占肖卫课题组提出基于IDT核的经典小分子受体材料，ITIC就是A-D-A稠环电子受体的代表(Lin Y；Wang J；Zhang Z-G；Bai H；Li Y；Zhu D；Zhan X.Adv.Mater.,2015,27(7):1170-1174.)。从那时起，稠环电子受体，特别是IDT类受体材料，就如雨后春笋般的涌现出来。

芳香族稠环具有较大的刚性共轭结构，其平面性明显，这显著增加了分子间的π-π堆积，能够提高分子间电荷迁移率。此外，稠环自身的缺电子特性，不但能使HOMO和LUMO能级变得更深，而且使分子内电荷转移更加容易，能够增大光学吸收及分子堆积。一般来说，有机小分子太阳能电池受体材料应具有n型半导体的基本特性，同时还应当具备以下条件：高电子迁移率；窄光学能隙，使吸收光谱更宽，更靠近长波长范围；深的LUMO能级和HOMO能级(Wang C；Dong H；Hu W；Liu Y；Zhu D.Chem.Rev.,2011,112(4):2208-2267.)。目前IDT类电子受体材料的吸收光谱还有待拓宽，以便与给体材料形成吸收互补，提高太阳光利用效率。另一方面，材料的LUMO能级还有待进一步降低，以提高太阳能电池的开路电压及能量转换效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种在可见区吸收较强，能级适中的有机太阳能电池器件活性层的受体材料。

解决上述技术问题所采用的受体材料的结构式如下所示：

式中Ar为具有π共轭结构的受体小分子单元，具体代表