[发明专利]一类基于C2v对称氮杂稠环的化合物及其制备方法与应用

说明书

本申请公开了一类基于C2v对称氮杂稠环的化合物及其制备方法与应用，属于有机太阳能电池材料制备技术领域。所述氮杂稠环的化合物具有所示结构：该化合物可作为非富勒烯受体材料，所述受体材料分子没有使用空间位阻过大的sp3杂化桥碳原子，所引入的侧链与共轭骨架共面，且呈顺式结构排列，这有利于促进分子骨架间的π‑π堆积，提高目标受体材料的电子传输性能；通过在稠环中心引入富电子的氮原子能够增加共轭体系电子云密度，从而提高受体材料分子的最低未占据分子轨道能级，并拓宽其吸收光谱，相应的太阳能电池能够同时获得高开路电压和大短路电流。

技术领域

本发明涉及一种氮杂稠环的化合物及其制备方法和应用，属于有机太阳能电池材料制备技术领域。

背景技术

有机太阳能电池是以有机半导体材料作为吸收和转换太阳能的器件装置，具有价廉、质轻、柔性以及可大面积制备等特性，因此在便携电子产品、穿戴式设备和智能窗口等领域具有广阔的应用前景，已成为当今新材料和新能源领域研究热点之一。

由给体材料和受体材料共混制备的活性层是有机太阳能电池的核心组成部分，负责“光子”到“电荷”的转换以及电荷传输等核心任务。早期的研究主要采用富勒烯衍生物(例如PC₆₁BM和PC₇₁BM)作为电子受体，但由于该类材料在可见光区吸收能力弱、电子能级和光学带隙难调节以及激子解离驱动力高等，使得相应电池器件的光电转换效率很难突破12％(Zhao et al，Nat.Energy,2016,1,15027)。为打破富勒烯电池的效率瓶颈，科学家们开始寻找新型非富勒烯受体替代传统富勒烯受体。非富勒烯受体可以模块化制备，其能级和带隙可以很容易地通过分子裁剪进行调控，同时还具有形貌稳定性好以及激子结合能低等优点(Ma et al,Natl.Sci.Rev.,2020,7,1886)，因此受到广泛关注。近5年，得益于非富勒烯受体材料的开发，有机太阳能电池获得了飞速发展。

吸电子单元-给电子单元-吸电子单元(A-D-A)型非富勒烯受体的设计通常需要引入sp3杂化的桥碳原子，通过在桥碳原子上键接烷基侧链(或芳香烷基侧链)能够有效减少目标受体分子的过度聚集，改善其与给体材料的共混性。然而，这些伸展到π共轭骨架平面外的侧链不可避免地会破坏受体材料分子间的紧密π-π堆积，不利于其迁移率和光伏性能的进一步提升。另外，sp3杂化桥碳原子对共轭骨架的电子云密度与分布没有贡献，不利于调控受体材料的光学带隙和电子能级。为进一步提升有机太阳能电池的光电转换效率，满足市场化应用需求，迫切需要使用新的分子设计策略来开发非富勒烯受体。

发明内容

针对上述不足本发明提供一类基于C2v对称氮杂稠环化合物及其制备方法与应用，所述化合物可作为非富勒烯受体材料，具有较强的光吸收、合适的分子堆积性能、较高的载流子传输性能以及与聚合物给体相匹配的电子能级，可以用于制备高能量转换效率的有机太阳能电池。

本发明的一个方面，提供一类含氮杂稠环化合物，所述含氮杂稠环化合物具有式I所示结构式：

其中，R₁，R₂独立地选自C₁～C₃₀的烷基I、C₁～C₃₀的卤代烷基I、C₄～C₂₀的芳基I、C₄～C₂₀的取代芳基I、具有式I-1所示基团中的一种。

可选地，所述取代芳基I的取代基选自烷基、卤代烷基、烷氧基、卤代烷氧基、卤素、烷硫基、卤代烷硫基中的一种。

R'—M—* 式I-1

可选地，R'选自C₁～C₃₀的烷基II、C₁～C₃₀的卤代烷基II中的一种；M选自O或S。