[发明专利]噻吩/硒吩并苯稠合的苝酰亚胺衍生物及其在有机太阳能电池上的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种噻吩/硒吩并苯稠合的苝酰亚胺衍生物及其在有机太阳能电池材料上的应用，属于有机光电功能材料及其器件制备技术领域。

背景技术

本体异质结太阳能电池具有成本低，重量小，柔性可加工的特点，受到广泛的关注和研究。本体异质结太阳能电池包括给体材料和受体材料。其中，富勒烯的衍生物(PCBM)由于其电子亲和性好，电子迁移率高，具有无方向性的电荷传输特性和纳米尺度网状结构等优点，在目前的太阳能受体材料中处于主导地位(Acc.Chem.Res.2015,48,2803-2812；J.Mater.Chem.A 2015,3,20516-20526)。然而，富勒烯受体也具有一些缺陷，例如：在可见光区域吸收范围狭窄，分子能级可调性差，制备成本高，提纯困难等(Energy.Environ.Sci.2012,5,8343-8350)。现在，有机小分子和聚合物作为太阳能受体材料得到了广泛关注，其太阳能电池的能量转换效率(PCE)也得到了显著提高(Adv.Energy Mater.2015,5,1500032；Adv.Mater.2014,26,4313-4319；Adv.Mater.2015,27,3266-3272)。

对于小分子受体材料，具有合适的微观相分离尺度和足够的电子迁移率是其太阳能电池器件具有良好效率的关键(Adv.Mater.2015,27,1015-1020)。苝酰亚胺是一种广泛应用的太阳能受体材料，然而，由于苝酰亚胺的大平面分子构型使其具有强烈的分子聚集倾向，从而造成严重的相分离，影响器件效率。苝酰亚胺的二聚体具有非平面的分子构型，可以抑制受体的分子的聚集，诱导形成合适的相分离尺度，因而受到了广泛关注。基于苝酰亚胺二聚体作为受体材料的太阳能电池效率相比于苝酰亚胺分子作为受体材料的太阳能电池有了明显提升，其PCE达到了6％(Adv.Mater.2015,27,1015-1020；J.Am.Chem.Soc.2015,11156-11162)。

然而，苝酰亚胺二聚体的最低未占分子轨道(LUMO)能级大多在-3.9～-4.1eV之间，其较深的LUMO能级与富勒烯受体的LUMO能级接近。因此，与基于富勒烯受体的太阳能电池一样，大多数苝酰亚胺二聚体受体的太阳能电池器件的开路电压在0.7～0.85eV,这限制了基于苝酰亚胺受体的太阳能电池效率的进一步提升。因此，开发具有较高LUMO能级，较高开路电压和能量转换效率的苝酰亚胺衍生物，对于非富勒烯太阳能电池的应用和发展，具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一类新型的苝酰亚胺衍生物及其在有机太阳能电池中的应用。

本发明采用的技术方案是：

一类噻吩/硒吩并苯稠合的苝酰亚胺衍生物，其化学通式如下：

式中X选自硫原子，硒原子。R₁选自氢原子，碳原子数为1-50的烷基、烯基，碳原子数为6-50的取代或未取代的芳基、联芳基、稠环芳基，碳原子数为4-50的取代或者未取代的含有氮原子的杂环芳基、苯并杂环芳基，碳原子数为1-50的由烷基、烯基、芳基或者杂环芳基组成的连接基团。式中R₂选自碳原子数为6-50的取代或未取代的芳基、联芳基、稠环芳基，碳原子数为4-50的取代或者未取代的含有氮原子的杂环芳基、苯并杂环芳基，碳原子数为1-50的由烯基、芳基或者杂环芳基组成的连接基团。

尤其地，X为硫原子，硒原子，R₁为2-辛基十二烷基或者1-戊基己基，R₂为一系列含有芳环的取代基。优选出来的分子结构如下：

在本发明中，我们设计与合成了一类噻吩/硒吩并苯稠合的苝酰亚胺衍生物。它们具有以下特点和有益效果：

(1)由于噻吩/硒吩并苯的给电子效应，以及噻吩/硒吩并苯稠合的苝酰亚胺相对于苝酰亚胺所具有的更大共轭体系，噻吩/硒吩并苯稠合的苝酰亚胺衍生物具有较高的LUMO能级，也使噻吩/硒吩并苯稠合的苝酰亚胺衍生物的太阳能电池器件具有较高开路电压；