[发明专利]一种基于苯并噻二唑单元的不对称有机小分子光伏材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种苯并噻二唑类不对称有机小分子光伏材料及其制备方法和应用，属于光电材料领域。本发明的D‑π‑A‑A′型不对称分子是以苯并噻二唑为A单元，三苯胺为D单元，分别以苯基、苯乙烯基、2‑氰基‑苯乙烯基和苯乙炔基为π连接键，双氰基乙烯基为A′端基。此外，不同π桥键与A′端基协同来增强ICT作用，并降低分子的HOMO能级。2‑氰基‑苯乙烯基连接键拓宽了分子的吸收范围；苯基或2‑氰基‑苯乙烯基的引入，则降低了分子的HOMO能级，使V_oc超过1.0V。本发明合成材料的PCE最高达2.43％，该类化合物结构明确、溶解性以及成膜性好，具备作为高效不对称有机小分子给体光伏材料的潜力。

技术领域

本发明涉及一种苯并噻二唑不对称有机小分子光伏材料及其制备方法和使用该苯并噻二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

相比聚合物，有机小分子具有结构易于修饰、提纯和制备简单、光伏器件制作成本低等优势，已经成为有机光伏的主要研究内容。截止目前，溶液过程对称性有机小分子给体材料的光电转换效率(PCE)已高达11.3％，与当前聚合物给体材料的PCE十分接近，这说明有机小分子给体材料的研究具有理论和实际应用价值。与聚合物给体材料相比，有机小分子给体材料的种类仍偏少、PCE普遍也偏低，尤其是不对称有机小分子给体材料种类就更少了。因此，为了拓宽有机小分子给体材料的研究范围，本发明旨在设计并合成出新型不对称有机小分子给体材料。

大多研究表明，含给电子-吸电子单元(D-A)共轭结构的材料可以有效实现分子内的电荷传输作用(即ICT效应)，进而提升材料的短路电流密度(J_sc)。因此，具有这种D-A共轭的结构对于有机小分子光伏材料性能的提升至关重要。相比对称结构分子，不对称分子具有更加明显的推- 拉电子作用。大量研究表明，苯并噻二唑单元因具有较好的平面性、强的吸电子以及易于结构的修饰等优点被广泛应用于有机光伏、有机场效应晶体管等领域。利用苯并噻二唑单元上的烷氧基化，不仅可以提高化合物的溶解性，而且烷氧基上的氧原子与噻吩环上的硫原子之间存在弱的非共价键作用(O---S)，一定程度上改善了分子的整体平面性。同时，双氰基乙烯基(DCV)是一个较强的缺电子基团，一定程度上可以增强分子的ICT 效应，在染料敏化材料结构中较为常见。目前，基于苯并噻二唑单元的对称型有机小分子给体材料的PCE已达到6.5％。然而，与对称型材料相比，基于该单元的不对称型材料的PCE也仅为3.4％。另外，值得一提的是，这类材料的V_oc也低于1.0V。这表明，涉及苯并噻二唑类不对称有机小分子光伏材料的研究仍较少。同时，不同吸电子性的π共轭连接键对这类结构能级的调节也缺乏系统地研究，相应光伏器件的PCE和V_oc也普遍较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在丰富苯并噻二唑类不对称有机小分子光伏材料的研究范围，通过在分子结构中引入具有不同吸电子能力的π桥键，通过降低分子HOMO能级和降低带隙来提高V_oc以及J_sc，为开发出新型高效的苯并噻二唑类不对称小分子给体材料的研究奠定一定的理论基础。

本发明提供了一种苯并噻二唑类不对称有机小分子，其结构如下：

其中，X为π连接键，分别为R为C1～C8的烷基。上述结构式中R相同。

本发明的另一目的在于提供一种上述苯并噻二唑类不对称有机小分子光伏材料的合成方法，其合成过程包括以下步骤：

在氮气保护下，将化合物A与化合物D按照当量比1∶2.2投入到钯催化的Suzuki偶联反应体系中，在110℃下发生交叉偶联反应，反应时间为 48小时，粗产物经柱层析色谱分离提纯后得到有机小分子Q。

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：R为C1～C8的烷基。