[发明专利]一种有机太阳能电池材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属光电材料与制备技术领域，具体涉及一种有机太阳能光电转换材料，更具体来说是一种基于噻吩-苯并噻二唑p-n结构的新型有机太阳能电池材料及其制备方法。该材料通过调节p型给电子基元噻吩和n型受电子基元苯并噻二唑的数量和含量，来精确调控目标材料的带隙，并在其烷基链进行极性官能团修饰，广泛应用于有机光电器件，特别是有机太阳能电池器件。 

背景技术

有机太阳能电池（Organic Photo Voltage，OPV）是当前科学研究的热点前沿之一，该类器件具有柔韧性高、制作成本低以及可得到大面积均匀膜层等优点，因此它有望成为通信、建筑、交通、照明等领域的新型能源。有机太阳能电池产生电流的工作原理是基于半导体的光生伏打效应，当光子入射到光敏材料时，在材料内部产生电子和空穴对，在内建电场的作用下，电子和空穴被分开分别移向正极和负极，从而在外部回路产生电流。 

有机半导体材料被广泛认为是最为廉价和最具发展潜力的太阳能电池材料，其突出优势集中表现在以下几方面：（1）有机材料合成成本低，功能和结构易于调制，柔韧性及成膜性较好；（2）有机太阳能电池器件加工过程相对简单，可低温操作，器件制作成本低，适合于大规模推广应用。近年来为获得有机太阳能电池更高的能量转换效率，越来越多的活性层材料被设计合成出来，尤其是给体材料。噻吩类材料是有机太阳能电池器件中应用最广的给体材料，包括聚合物、小分子、寡聚物以及含有过渡金属的聚合物等。噻吩材料作为给体，C₆₀或者衍生物作为受体是目前最好的有机太阳能电池体系，这类材料易于制备，可溶液加工，具有良好的热稳定性，以及优异的光电性质和载流子传输特性等，成为人们研究的热点。 

目前公开报道的有机太阳能器件中，最高光电转换效率的材料体系是由噻吩类给体与富勒烯衍生物受体构成的。如聚（3-己基噻吩）（P3HT）是目前研究最多的噻吩类衍生物材料，它可以作为给体材料广泛应用于构建聚合物太阳能电池材料。但是P3HT也存在明显的不足，如光谱吸收范围比较窄，仅局限于650nm以内的太阳光的吸收，大大限制了太阳能电池器件光电转换效率的进一步提升。因此有必要优化聚噻吩类衍生物的分子结构设计，进一步调制其太阳光光谱响应特性和吸收性能，同时有效改善聚合物给体材料的载流子迁移特性，开发出具有窄带隙宽吸收，并能与太阳光谱有较好匹配的高效有机太阳能光电转换材料。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种宽吸收的有机太阳能光电转换材料，改善噻吩-苯并噻二唑类有机太阳能光电转换材料的光吸收能力，拓宽其光谱响应范围，以大幅提高其光电转换效率。 

技术方案：本发明涉及一种有机太阳能电池材料及其制备方法，更具体来说是一种基于噻吩-苯并噻二唑p-n结构的新型窄带隙有机太阳能电池材料及其制备方法。该材料主体为三个苯并噻二唑结构基元，两端带有相同的烷基噻吩类结构基元，是一种共轭结构噻吩-苯并噻二唑类衍生物材料。其结构如下式I所示： 

其中，R为C₁-C₁₂的烷基； 

基于噻吩-苯并噻二唑p-n结构的新型有机太阳能电池材料，采用苯并噻二唑双硼酸酯与溴代噻吩-苯并噻二唑衍生物通过Suzuki偶联反应，制备基于噻吩-苯并噻二唑p-n结构的新型有机太阳能电池材料，如下式所示： 

其中，R为C₁-C₁₂的烷基。 

该反应是在四三苯基膦钯（Pd(PPh₃)₄）催化作用下，上式中单体1（4,7-双（4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧硼戊环-2-基）苯并[c][1,2,5]噻二唑）和单体2（溴代噻吩-苯并噻二唑烷基取代衍生物）发生Suzuki偶联反应。