[发明专利]基于咔唑的稠环A-D-A型共轭分子及其制备方法

说明书

本发明属于有机光电材料技术领域，具体涉及一类基于咔唑稠环A‑D‑A型共轭分子及其制备方法。本发明以咔唑为骨架单元，以噻吩为桥联单元，末端连接缺电子单元INCN的A‑D‑A型共轭分子，其结构通式如I所示。本发明结构新颖，合成步骤少，产物易分离纯化，所涉及的基于咔唑稠环A‑D‑A型共轭分子具有良好的溶解性和稳定性，具有宽的光谱吸收范围和合适的能级结构，有望用于有机太阳能电池的受体材料。

技术领域

本发明属于有机光伏技术领域，具体涉及一类基于咔唑的稠环A-D-A型共轭分子及其制备方法，该类分子作为光活性层中作为电子受体材料应用于有机光伏电池领域。

背景技术

有机太阳能电池具有质轻、可弯曲、可溶液加工和大面积制备等诸多优点，受到了科研工作者的广泛关注。目前，基于富勒烯受体材料共混的本体异质结(BHJ)太阳能电池的光电转换效率已突破10％，预示着有机太阳能电池巨大的应用前景。传统富勒烯类受体材料具有良好的得电子能力和光电传输性能，但存在吸收范围窄，分子结构单一，能级不易调节等缺陷，在一定程度上阻碍了有机太阳能电池效率的进一步提高。而非富勒烯类受体材料的结构多样，易于修饰，吸收范围可调节等优点[Adv.Mater.2010,22,1331-1345.]，有望替代富勒烯类材料而成为近期的研究热点。自2015年，占肖卫研究组将1，1-dicyanomethylene-3-indanone(INCN)作为端基拉电子单元，合成新型小分子受体材料(DC-IDT2T)[J.Mater.Chem.A,2015,3,1910-1914]以来，这类具有A-D-A型的受体材料成为有机太阳能电池领域的热点，一系列性能优异的材料被报道出来[Adv.EnergyMater.2016,6,1600854.Energy Environ.Sci.,2015,8,3215—3221.EnergyEnviron.Sci.,DOI:10.1039/c6ee00315j.J.Am.Chem.Soc.2016,138,4955-4961.]。通过调控骨架分子的结构，可有效地调节该类材料的吸收光谱和LUMO能级。但目前文献报道的小分子受体材料的吸收光谱往往在600-800nm，这与大部分的给体聚合物的吸收光谱范围重合，难以实现对太阳光谱的全吸收。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一类吸收强、电荷传输性能良好及电子能级合适的基于咔唑为核的A-D-A型共轭分子，其作为电子受体材料应用于有机太阳能电池中。

咔唑在400-600nm可见光区具有强的吸收，可有效弥补给体聚合物在可见光区吸收的不足，且咔唑具有强大的载流子传输能力，在有机太阳能电池中有广泛的应用。基于此，在咔唑骨架结构上引入强吸电单元，作为受体材料，有望实现有机光伏电池器件对太阳光谱的全吸收，提高太阳能利用率，最终达到提高器件光伏性能的目的。基于咔唑为骨架单元的小分子光伏材料，具有强的分子间π-π作用，可获得较高的载流子迁移率，基于以上思考，本发明以咔唑为骨架单元，五元芳杂环噻吩作为桥联基团，末端连接强拉电子基团INCN的A-D-A型共轭分子，该类型分子可受体材料应用于有机太阳能电池领域。

本发明提供的基于咔唑为核的A-D-A型共轭分子具有以下通式结构：

其中，R₁为H原子或碳原子数为4～20的直链或支链的烷基或烷氧基；R₂为间位或对位碳原子数为4～20的直链或支链的烷(氧)基苯基，或者为碳原子数为4～20的直链或支链的烷基。

基于咔唑为骨架单元的A-D-A型共轭分子的制备方法为：

将带有R₂取代基的咔唑双硼酸酯与带有R₁取代基的2-溴-5-醛基噻吩(摩尔比1:2～10)在钯催化剂(醋酸钯、四(三苯基膦)钯、二(三苯基膦)二氯化钯的一种或多种)(咔唑双硼酸酯与钯催化剂摩尔比为1:0.005～1)的作用下于甲苯和水混合溶液中(5:1，v/v)进行偶联反应，得到相应的咔唑噻吩双醛化合物。