[发明专利]一种基于二茚并吡嗪的A-π-D-π-A型有机小分子及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于二茚并吡嗪的A‑π‑D‑π‑A型有机小分子及其制备方法与应用。A‑π‑D‑π‑A型有机小分子中，以给电子的IPY单元为中心核D，噻吩为π共轭桥，3‑(二氰基亚甲基)茚‑1‑酮或5,6‑二氯‑3‑(二氰基亚甲基)茚‑1‑酮或5,6‑二氟‑3‑(二氰基亚甲基)茚‑1‑酮等)为吸电子末端A。制备方法由中间体M1和A在溶剂和催化剂的作用下进行Knoevenagel缩合反应得到。本发明通过改变不同吸电子末端A能够实现对A‑π‑D‑π‑A型有机小分子对小分子结构、吸收光谱、带隙、前线分子轨道能级等光电性能的调控，制备出优异光电性能的小分子光电功能材料，可应用于制备有机太阳能电池。

技术领域

本发明涉及有机太阳能电池技术领域，尤其涉及一种基于二茚并吡嗪单元的A-π-D-π-A型有机小分子及其制备方法与应用。

背景技术

有机太阳能电池(OSCs)是一种基于有机化合物的利用光生伏特效应直接实现把太阳能转换为电能的装置。其具有质量轻、价格便宜、制备工艺简单、材料的化学结构可调控性好等优点，在未来的应用上有明显的优势。目前，基于acceptor-donor-acceptor(A-D-A)型小分子受体的叠层OSCs的能量转换效率(PCE)已经超过17％(Meng L,Zhang Y,Wan X,et al.Science,2018,361,1094-1098)。而基于小分子受体材料的单结OSCs的PCE也已经超过16％(B.Fan,F.Huang,Y.Cao.et al.Sci.China Chem.,2019,62,746；X.Xu,Q.Peng,etal.Adv.Mater.,2019,31,1901872)。但是目前用于高效OSCs的小分子受体材料仍然存在载流子迁移率低、合成步骤复杂和稳定性较差等问题，因此需要开发新的光电性能优异的有机小分子受体材料。

6,12-二氢-二茚并[1,2-b:10,20-e]吡嗪(简称二茚并吡嗪，IPY)是一个由茚和吡嗪单元融合的五环稠环体系，具有良好的平面性和缺电子性能。IPY具有大的平面共轭结构，易于形成π-π堆积，有利于提高载流子传输性能。现有的A-D-A型小分子受体材料分子中D单元常为多芳环融合的富电子体系，由此构筑的受体材料多为窄带隙材料。而多芳环融合的缺电子体系为中心D单元的宽带隙受体材料还鲜有报道。尤其是以缺电子的IPY单元为中心核(D)，吸电子单元(如3-(二氰基亚甲基)茚-1-酮等)为末端A，噻吩单元为π共轭桥的A-π-D-π-A型小分子受体材料及其制备方法与光伏应用还尚未见报道。因此设计合成基于IPY单元的A-π-D-π-A型小分子，并用作OSCs中的受体材料具有重要的理论和实际研究意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，特别是针对基于二茚并吡嗪(IPY)的有机小分子太阳能电池材料种类少，应用领域窄等不足，提供一种以IPY单元为中心核(D)，吸电子单元为末端A，噻吩单元为π共轭桥的基于二茚并吡嗪的A-π-D-π-A型有机小分子及其制备方法与应用，通过改变吸电子末端A和中心IPY单元上的取代基能够实现对小分子结构、吸收光谱、带隙、前线分子轨道能级等光电性能的调控，达到制备出优异光电性能的小分子光电功能材料的目的。其制备方法简单，产率高，可应用于制备有机太阳能电池。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于二茚并吡嗪的A-π-D-π-A型有机小分子，

所述A-π-D-π-A型有机小分子具有以下式I所示的结构式：

所述式I中：R选自以下基团中的任意一种：

-C₆H₁₃、-C₇H₁₅、-C₈H₁₇、-C₉H₁₉、

A选自以下基团中的任意一种：