[发明专利]一种新型有机共轭分子及其在有机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，具体涉及一类以5-(2，6-二甲基-4H-吡喃-4-亚基)-1，3-二乙基-2-硫酮基-二氢嘧啶-4，6(1H，5H)-二酮为基本结构单元的给受体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，中科院化学所刘云圻研究组通过旋涂的方法将4，4′-二[2-(3-二氰亚甲基-5，5-二甲基环己烯-1-己烯)乙烯基]三苯胺(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，中科院化学所李永舫研究组将基于三苯胺和DCM单元构建的小分子作为给体材料，以[6，6]-苯基-C61-丁酸甲酯(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，吉林大学田文晶研究组将2-{2，6-二-[2-(4-联苯胺-苯基)-乙烯基]-吡喃-4-亚基}-丙二氰(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，加州大学圣巴巴拉分校Nguyen研究组将有机小分子2，5-二-(2-乙基己基)-3，6-二-(5′-n-己基-[2，2′，5′，2″]三噻吩-5-基)-吡咯[3，4-C]吡咯-1，4-二酮(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。同年，该研究组以有机小分子DPP-OT-3，6-二(5-(苯并呋喃-2-基)噻吩-2-基)-2，5-二(2-乙基己基)吡[3，4-c]吡咯-1，4-二酮(DPP(TBFu)₂)为给体材料，[6，6]-苯基-C71-丁酸甲酯(PC₇₁BM)为受体材料，制备了迄今为止具有最高光电转换效率(4.4％)的有机小分子体异质结太阳能电池。

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仍然存在很多不足之处。其中，给体材料的吸收光谱与太阳光谱不匹配是首要因素。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5-(2，6-二甲基-4H-吡喃-4-亚基)-1，3-二乙基-2-硫酮基-二氢嘧啶-4，6(1H，5H)-二酮(PD)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。

研究发现，以PD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PD基团的结构式如(I)所示，基于该基团的给受体有机共轭分子的结构通式如(II)或(III)所示：