[发明专利]一种含苯并二吡喃结构的有机半导体材料

说明书

本发明涉及一种含苯并二吡喃类芳香族稠环结构的有机小分子半导体材料及其应用,该类材料具有的特征是核心骨架为含有苯并二吡喃结构的五元稠环芳香族化合物,末端为吸电子性较强的茚酮结构单元,该材料可应用于有机光电子器件(有机太阳能电池、有机场效应晶体管、有机发光器件、有机探测器等)领域。由于氧原子具有较强的给电子性质，这类材料表现出较宽的吸收光谱和良好的光伏性能，具有一定的商业化应用前景。

技术领域

本发明属于有机光电材料技术领域，具体涉及一种含4,10-二氢双噻吩 [2,3-d:2,3-d']苯并[1,2-b:4,5-b']二吡喃结构的有机半导体材料及其在有机太阳能电池、有机场效应晶体管、有机电致发光等有机光电技术领域的应用。

背景技术

近年来，随着能源和环境问题的日益严峻，关于有机太阳能电池的研究发展十分迅速，文献报道的能量转换效率已经达到10％以上。相对于无机材料而言，有机半导体太阳能电池具有柔性、质轻以及便于制备等特点，在可穿戴电子设备等方面具有潜在应用价值。

有机太阳能电池是一种基于体异质节结构的三明治型电子器件，中间的活性层是实现光电转化的主要组成部分，它是由n-型和p-型材料通过共混构成的，通常n-型材料为富勒烯类材料，由于富勒烯材料在可见光范围内的吸收较差、结构不易调节、价格昂贵，大大限制了其光伏性能的提升，因而基于给受体型的非富勒烯材料近年来受到人们的广泛关注，其光伏性能得到迅速提升，显示出对于富勒烯材料的明显优势。

有机光伏材料的性能是由它的化学结构决定的，要获得高性能的光伏材料，需要兼顾其光谱吸收、电子能级及载流子迁移率等多个方面，这需要通过合理的分子设计进行调节，从而改善器件的开路电压、短路电流和填充因子。目前太阳能电池受体材料中，基于茚并二噻吩(IDT)的给受体型有机小分子材料显示出非常优异的性能，在此基础上，本专利将氧原子引入IDT结构中，利用氧原子的给电子性提高材料的HOMO能级，扩展材料的光谱吸收范围，同时保持材料的LUMO能级不变，这样可以使其器件在保持开路电压不变的前提下提高光电流，由此最终提高光电转换效率。实验表明，基于苯并二吡喃结构的共轭小分子是一种性能优良的有机太阳能电池受体材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含苯并二吡喃结构的有机小分子半导体材料的合成及在有机光伏器件中的应用。本发明以2-溴噻吩-3-甲酸酯和1,4-二溴-2,5-二甲氧基苯出发，经过多步反应合成4,10-二氢双噻吩[2,3-d:2,3-d']苯并[1,2-b:4,5-b'] 二吡喃单体，然后经过与芳香族化合物偶联或直接羰基化和knoevenagel缩合得到受体小分子化合物。将该化合物与不同给体材料共混作为活性层，将其应用于有机太阳能电池，获得了良好的性能。

含苯并二吡喃结构的有机小分子半导体材料，其结构式为(1)或(2)：

其中，R和L为氢原子或烷基链，其特征在于所述烷基链为具有1-22个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、烯基、炔基、羰基、羧基、酯基、羟基、芳基、氰基、硝基、苯基取代，氢原子被卤素原子或上述官能团取代；X、Y分别为以下官能团之一：碳原子、氧原子、硫原子、硅原子、氮原子、磷原子、碳碳双键等；Ar为芳香基团；n为0-10的自然数。

更具体的说，Ar为具有5-14个原子的芳环单元，为了帮助理解Ar的含义，下面列举几种常见的单体，本发明包括但不局限于以下几种单体，下面列举结构中的R、R₁～R₄为氢原子或烷基链，其特征在于所述烷基链为具有1～22个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、氮原子、硫原子、硅原子、烯基、炔基、羰基、羧基、酯基、羟基、芳基、氰基、硝基取代，氢原子被卤素原子或上述官能团取代。

本发明的有机半导体材料可由如下方法制备：