[发明专利]一种苯骈三氮唑类有机小分子光伏材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种苯骈三氮唑有机小分子光伏材料及其制备方法和使用该苯骈三氮唑类有机小分子为给体材料的太阳能电池器件，属于有机光电材料领域。

背景技术

近年来，溶液过程有机小分子太阳能电池材料因具有分子结构易于修饰、易于分离提纯、器件制作成本低等优点，逐渐成为研究热点。目前，文献报道的溶液过程有机小分子太阳能电池领域的光电转化效率(PCE)已高达10.10％，使得对小分子光伏材料的研究具有重要的理论和实际应用价值。但是相对于聚合物类太阳能电池器件，基于小分子化合物为给体的太阳能电池器件的整体效率仍然偏低。为了丰富有机小分子光伏材料的研究范围，亟需设计合成新型有机小分子化合物。

研究表明，对于给体-受体共轭结构的有机小分子光伏材料，分子结构中的吸电子单元对于设计开发高效太阳能电池材料至关重要。因为分子骨架中的吸电子单元影响材料的最高占有轨道(HOMO)能级，进而决定材料的开路电压(V_OC)。近年来，苯骈三氮唑单元因具有较好的平面性和易于进行结构修饰等特点被广泛应用于多功能材料的研究开发，如电致变色和光伏材料领域。苯骈三氮唑单元中含有两个强吸电子性的亚胺结构(C＝N)，因此其衍生物均表现出较低的HOMO能级，所以以该类化合物为给体的太阳能电池器件易于表现出较高的V_OC。同时，苯骈三氮唑结构中含有一个易于烷基化的N-H键，烷基化后不仅能提高化合物的溶解性，而且利于降低电荷传输过程中的电荷复合。目前，对于苯骈三氮唑类本体异质结光伏材料的研究主要集中于聚合物材料，且溶液过程聚合物太阳能电池器件的PCE已经超过7.0％。因此，苯骈三氮唑单元可作为一种良好的吸电子单元，应用于研究开发高效有机小分子给体材料。然而，与聚合物材料相比，涉及苯骈三氮唑类有机小分子化合物的研究较为匮乏，相应的太阳能电池器件的PCE普遍偏低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明意在丰富苯骈三氮唑类有机小分子光伏材料的研究范围，为推进高效苯骈三氮唑类小分子给体材料的研究奠定一定的理论和实验基础。

本发明提供了一种苯骈三氮唑类有机小分子化合物，其结构如下：

其中，Q作为连接键，选自单键、C＝C或C≡C，R为C1～C20的烷基。

本发明的另一目的在于提供一种上述苯骈三氮唑类有机小分子光伏材料的合成方法，其制备过程包括如下步骤：

在氮气保护下，将化合物A与化合物D按照摩尔比1:2.2～2.5投入钯催化的反应体系中，在70～110℃发生交叉偶联反应，反应时间为24～36小时，粗产物经分离提纯后得有机小分子F。

提供如下结构表示化合物D和化合物A：

化合物D为：化合物A为：

(1)当Q表示单键时，将化合物D和化合物A按照摩尔比2.2:1加入以碳酸钠为碱、四(三苯基磷)钯为催化剂的Suzuki偶联反应体系。碳酸钠与化合物A的摩尔比为1:40，催化剂与化合物A的摩尔比为1:10。反应混合物于110℃回流24小时。粗产物经柱层析法提纯，得到橙色化合物F1，其结构式如下：

(2)当Q表示C＝C时，将化合物D和化合物A按照摩尔比2.5:1投入以醋酸钯为催化剂、四丁基溴化铵(TBAB)为配体、乙酸钠为碱的Heck偶联反应体系。醋酸钯与化合物A的摩尔比为1:10，TBAB与化合物A的摩尔比为1:2.5，乙酸钠与化合物A的摩尔比为2.5:1。反应混合物于100℃回流36小时。粗产物经柱层析分离提纯后得到橙红色化合物F2，其结构式如下：

(3)当Q表示C≡C时，将化合物D和化合物A按照摩尔比2.2:1投入以二(三苯基磷)二氯化钯为催化剂、碘化亚铜为助催化剂、三乙胺为碱的Sonogashira偶联反应体系。催化剂与化合物A的摩尔比为1:40，助催化剂与化合物A的摩尔比为1:20，碱与化合物A的摩尔比为1:1。反应于70℃回流24小时。粗产物经柱层析法分离提纯，得到橙色化合物F3，其结构式如下：

所述苯骈三氮唑类化合物可作为有机小分子太阳能电池器件的给体材料，它与受体材料[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(PC₆₁BM)混合作为活性层，应用于溶液过程本体异质结太阳能电池领域。

与现有发明技术相比，本发明具有以下优点与有益效果：

(1)本发明首次合成了一种苯骈三氮唑类有机小分子，它可作为给体材料应用于溶液过程有机小分子太阳能电池领域。