[发明专利]一种吡咯并吡咯二酮衍生物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种吡咯并吡咯二酮衍生物及其制备方法和应用。

背景技术

有机太阳能电池是一种正在进行研究的新型太阳能电池，与无机太阳能电池相比，具有质轻、价廉、可溶液处理、高的机械柔性、可制成柔性大面积器件等优点，其历史可追溯到1958年，Kearns和Calvin将镁酞菁染料层夹在两个功函数不同的电极之间支撑了第一个有机光电转化器件，观察到了200mV的开路电压，同无机太阳能电池相比，光电转化效率极低。在此后的二十年之间，有机太阳能电池领域内创新不多。

1986年，柯达公司的邓青云博士将四羧基苝的一种衍生物和铜酞菁组成的双层膜，将两层膜分别与两个电极进行连接制成了有机太阳能电池，该有机太阳能电池的光电转化效率达到1％左右，虽然与无机太阳能电池相差较远，但是已经是一个很大的突破。该有机太阳能电池中的双层膜本质是一个异质结，相当于用两种有机半导体材料来模仿无机异质结太阳能电池，该种双层膜异质结的结构为有机太阳能电池研究开拓了一个新的方向，时至今日这种结构仍然是有机太阳能电池研究的重点之一。

双层膜异质结型有机太阳能电池的双层膜分别为作为给体和受体，其中，作为给体的有机半导体材料吸收光子后产生空穴-电子对，电子注入到作为受体的半导体材料中，空穴和电子得到分离。在这种体系中，电子给体为p型，电子受体则为n型，从而空穴和电子分别传输到两个电极上，形成光电流。

可溶型有机小分子材料具有明确分子结构，单分散性，可重复合成及提纯步骤等优点，已成为可应用溶液加工技术制备有机太阳能电池的理想材料之一。而可溶性有机小分子应用于有机太阳能电池中需要具有较好的成膜性，与受体材料能级匹配并有良好的相容性。因此窄带系，高迁移率的可溶性有机给体小分子是一类具有发展前景的光伏材料。吡咯并吡咯二酮(DPP)单元存在于很多颜料化合物当中，对可见光具有较好的吸收作用，将其应用于小分子给体材料的制备具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种吡咯并吡咯二酮衍生物及其制备方法和应用，该吡咯并吡咯二酮衍生物对可见光具有良好的吸收度。

一种吡咯并吡咯二酮衍生物，结构如式(I)所示：

式(I)中，n＝2或4；

R选自如式(I-a)、式(I-b)或式(I-c)所示的基团：

式(I-a)、式(I-b)和式(I-c)中，“*”表示连接位置。

本发明中，所述的吡咯并吡咯二酮衍生物中所共有的吡咯并吡咯二酮结构单元为大的吸电子共轭基团，同时，所含的R基团具有给电子能力，两者的结合使所述的吡咯并吡咯二酮衍生物具有较好的吸光度，同时该吡咯并吡咯二酮衍生物在常见有机溶剂如二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、氯苯等中有较好的溶解性，可作为有机太阳能电池材料应用于太阳能电池器件中。

本发明还提供了上述吡咯并吡咯二酮衍生物的制备方法，包括如下步骤：

(1)在惰性气体保护下，将2-氰基噻吩和叔丁醇钾溶解于醇溶剂中，加热搅拌条件下，滴加丁二酸二甲酯的醇溶液进行反应，反应完成后经后处理得到化合物(II)，化合物(II)的结构如下式所示：

(2)在惰性气体保护下，将化合物(II)与无机碱溶于N，N-二甲基甲酰胺，加热搅拌条件下，加入辛基溴进行反应，反应完成后经后处理得到化合物(III)，化合物(III)的结构如下式所示：

(3)在惰性气体保护下，避光条件下，将化合物(III)与N-溴代丁二酰亚胺进行溴代反应，反应完成后经后处理得到化合物(IV)，化合物(IV)的结构如下式所示：

(4)在惰性气体保护下，钯催化剂存在条件下，化合物(IV)与2-(三丁基锡)-己基噻吩在甲苯中回流进行Stille偶联反应，反应完全之后经后处理得到化合物(V)，化合物(V)的结构如下式所示：

(5)在惰性气体保护下，避光条件下，使化合物(V)与N-溴代丁二酰亚胺在三氯甲烷中发生溴代反应，反应完成之后，经后处理得到化合物(VI)，化合物(VI)的结构如下式所示：

(6)在惰性气体保护下，钯催化剂存在的条件下，化合物(VI)与金属锡试剂或硼酸酯化合物进行偶联反应，反应完全之后，经后处理得到所述的吡咯并吡咯二酮衍生物；

所述的金属锡试剂或硼酸酯化合物为化合物(VII-1)、化合物(VII-2)或化合物(VII-3)，其中，所述化合物(VII-1)的结构如下：