[发明专利]基于噻吩并异苯并吡喃的zigzag型中宽带隙小分子电子给体材料及其应用

说明书

本发明涉及一类基于噻吩并异苯并吡喃的zigzag型中宽带隙小分子光伏材料的合成，以及它们在小分子光伏器件中的应用。这类中宽带隙小分子材料的供电子(D)单元为噻吩并异苯并吡喃衍生物，中心受电子(A)单元为5,6‑双氟苯并噻二唑，端基受电子(A₁)单元为罗丹宁，茚满二酮及其衍生物。它们可作为供体材料广泛应用于高效率的溶液加工型小分子太阳能电池。当器件的受体材料为富勒烯(PC₇₁BM)时，其本体异质结小分子太阳能电池的最大能量转化效率和开路电压分别高达7.55％和0.9V。本发明实现了中宽带隙小分子光伏材料在小分子太阳能电池中的高效能量转化。

技术领域

本发明涉及有机光伏领域，具体涉及了一类以噻吩并异苯并吡喃为供电子(D)单元，5,6-双氟苯并噻二唑为中心受电子(A)单元，末端连接茚满二酮类或氰基罗丹宁类受电子(A₁)单元的、具有A₁-D-A-D-A₁构架的zigzag型中宽带隙小分子电子给体材料的合成及其在有机太阳能电池中的应用。

技术背景

当今能源问题和环境问题日益突显，寻求新的绿色无污染能源一直是全球的当务之急。太阳能由于取之不尽，用之不竭，绿色环保又安全等得天独厚的优势，已经成为当今社会绿色能源的发展方向，而将太阳能转化为电能的太阳能电池技术是近年来开发与应用的研究重点。

有机太阳能电池(OSCs)具有材料来源广泛，结构易调节，制作工艺简单，可溶液加工，可制作成大面积柔性器件等优势，受到了世界各国的广泛关注^[1-2]。其中，以富勒烯为受体材料的本体异质结(BHJ)单层OSCs的能量转化效率达到了11.7％^[3]，以非富勒烯为受体材料的BHJ单层OSCs的能量转化效率达到了13.1％^[4]，叠层OSCs的能量转化效率超过了14.0％^[5，6]。研究发现，不管器件结构是叠层还是单层，受体材料是富勒烯还是非富勒烯，光活性层中给体材料的选择极其重要。但是光活性层中可供选择的、性能优良的给体材料的种类仍不够广泛，尤其是小分子给体材料的种类更是少之又少。因此，开发活性层中新型给体材料，是有机太阳能电池发展的重点方向。

噻吩并异苯并噻吩是一种新型不对称给体单元，一方面，单元结构中引入了吸电子能力较强的氧原子，可以有效降低电子给体材料的HOMO能级，进而提升OSCs的开路电压；另一方面，异苯并吡喃的2号位容易引入烷基链，可以有效改善给体材料的溶解性能。这类不对称给体单元可以与不同类型的受体单元组合，构筑具有A₁-D-A-D-A₁构架的zigzag型中宽带隙小分子电子给体材料，与传统的D-A-D小分子电子给体材料相比，其分子链末端连接的茚满二酮类或氰基罗丹宁类强电子受体单元(A₁)，可以提高材料的摩尔消光系数，增强材料对光的吸收，进一步改善材料的光伏性能。

附：主要参考文献

[1]Service,R.F.,Outlook Brightens for Plastic Solar Cells.Science2011,332(6027),293-293.

[2]Nielsen,C.B.；Holliday,S.；Chen,H.Y.；Cryer,S.J.；McCulloch,I.,Non-fullerene electron acceptors for use in organic solar cells.Acc Chem.Res.,2015,48(11),2803-12.

[3]Zhao,J.；Li,Y.；Yang,G.；Jiang,K.；Lin,H.；Ade,H.；Ma,W.；Yan,H.,Efficient organic solar cells processed from hydrocarbon solvents.NatureEnergy,2016,1(2),15027.