[发明专利]一种可溶液加工的有机共轭分子及在太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于2-吡喃-4-亚基丙二氰为基本结构单元的有机共轭分子及该有机共轭分子在体异质结太阳能电池中的应用。

背景技术

随着煤、石油等一次能源的逐渐枯竭，人类迫切需求环境友好的可再生能源。太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，是利用太阳能的最有效方式。

1954年美国贝尔实验室成功研制出第一块单晶硅太阳能电池，开启了人类利用太阳能发电的一扇大门。1958年太阳能电池首先在航天器上得到应用。20世纪70年代初，太阳能电池开始在地面应用。但制备工艺繁杂、成本高、对环境污染严重等，在一定程度上限制了基于硅材料的太阳能电池的更广泛应用。

基于有机高分子和有机小分子材料的太阳能电池因其制备工艺简单(如可旋涂、喷墨打印等)、廉价、易于实现大面积及柔性等优点，而倍受人们的关注。相比较而言，可溶性有机小分子由于具有明确的分子结构，固定的分子量，较高的纯度和较好的重复性等优点，越来越受到人们的青睐。2005年，朱道本院士等人通过旋涂的方法将BDHT作为活性层应用到有机小分子太阳能电池中，取得了0.03％的光电转换效率；2007年，李永舫教授等人将基于三苯胺和DCM单元构建的小分子作为给体材料，以PCBM为受体通过旋涂的方法制得的体异质结太阳能电池，取得了0.79％的光电转换效率；2009年，田文晶教授等人将DADP应用于有机小分子太阳能电池，取得了1.50％较高光电转换效率。2009年，Nguyen等人将有机小分子SMDPPEH应用于有机体异质结太阳能电池中，取得了3.0％的光电转换效率。

目前，基于可溶液加工的有机小分子太阳能电池的光电转换效率已经超过了4％。但相对于有机聚合物太阳能电池而言，有机小分子太阳能电池的仍然存在很多不足之处。其中，吸收光谱与太阳光谱不匹配是首要的因素。而具有给受体结构的有机共轭分子由于可以通过引入不同的给受体基团，来调节分子的共平面性、分子内电荷转移(ICT)强度，从而调节分子的吸收性质、能级结构以及载流子迁移率等，因而成为一类极具发展潜力的有机小分子太阳能电池材料。

发明内容

本发明的目的是提供一系列可以通过选择不同的给体单元与具有较强吸电子能力的2-吡喃-4-亚基丙二氰(受体)结合，从而实现低HOMO能级(高开路电压和高稳定性)、窄带隙、宽吸收、高迁移率的给受体有机共轭分子，并将此类有机共轭分子用于制备太阳能电池。

使用本发明所述的材料，可以简化器件制备工艺，以适应器件的工业化批量生产需要。

经研究发现，以2-吡喃-4-亚基丙二氰为受体的给受体有机共轭分子具有优良的太阳能电池性能。

本发明所述的基于2-吡喃-4-亚基丙二氰的给受体有机共轭分子如通式(I)所示：

通式(I)代表以2-吡喃-4-亚基丙二氰为受体的给受体有机共轭分子的基本结构骨架，D代表3，4-二正烷基(C₆-C₁₃)噻吩、对二正烷氧基(C₆-C₁₃)苯、10-正烷基(C₆-C₁₃)吩噻嗪、9-正烷基(C₆-C₁₃)咔唑、三苯胺。D^*代表噻吩、连二噻吩、三连噻吩、9，10-二烷基(C₄-C₉)芴、10-正烷基(C₆-C₁₃)吩噻嗪、三苯胺、9-正烷基(C₆-C₁₃)咔唑。

其示例分子式如下所示，

其中10≥n≥4，即碳原子的个数为4到10，氢原子的个数为9到21。

制备2-吡喃-4-亚基丙二氰共轭齐聚物按如下反应模式进行：

反应模式中，含2-吡喃-4-亚基丙二氰的双溴单体和化合物D^*的单硼化或者单锡化单体在甲苯/碳酸钾(K₂CO₃)或者甲苯/N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，以四三苯基膦钯(Pd(PPh₃)₄)为催化剂，在加热条件下发生Suzuki或者Stille反应，可获得目标化合物(I)。

进一步地，当D为取代噻吩，D^*为三苯胺时，其结构式如下所示：