[发明专利]基于茚并噻吩为核心的n-型有机小分子半导体及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于茚并噻吩为核心的n‑型有机小分子半导体及其制备方法与应用，具体为基于茚并噻吩为核心，噻吩为桥连，1，3‑茚满二酮或丙二腈或5，6‑二氟‑3‑(二氰基亚甲基)靛酮为端基的n‑型有机小分子半导体材料及其制备方法，以及该类分子作为受体材料在有机非富勒烯太阳能电池中的应用。本发明公开的以茚并噻吩为核心的n‑型有机小分子半导体具有可溶液加工、吸收光谱宽、吸光系数高、热稳定性优异、能级适当等优点，是理想的有机太阳能电池非富勒烯受体材料。

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种基于茚并噻吩为核心的n-型有机小分子半导体及其制备方法与应用。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的清洁、绿色能源，近年来随着世界各国对能源问题的重视，太阳能电池成为该领域的研究热点。与传统无机半导体太阳能电池相比，有机太阳能电池具有成本低、用料少、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，具有广阔的发展和应用前景。

典型的有机太阳能电池采用本体异质结结构，其活性层由作为施主材料的p型半导体聚合物和作为受主材料的n型半导体组成^[1-3]。富勒烯及其衍生物类受体材料在有机太阳能电池领域长期处于主导地位^[4-6]，然而这类材料存在原材料成本较高、光照下不稳定、高温下易结晶、可见光区吸收弱且难以拓宽、最低未占据分子轨道(LUMO)能级较低导致电池开路电压低等缺点^[7]，这些缺点限制了其进一步发展。最近几年，非富勒烯受体材料渐渐成为有机太阳能电池领域的研究热点,基于非富勒烯受体的有机太阳能电池已经实现了超过12％的光电转化效率^[8-10]。根据分子结构的不同，非富勒烯受体材料主要可以分为聚合物和小分子两类。聚合物类受体材料由于其结构特点和合成工艺决定了不同批次制备的材料存在分子量分布不均、后期分离提纯困难、重复性差等缺点，制约了其应用。与聚合物相比，小分子材料具有明确的分子结构，制备和提纯工艺简单，因此基于有机小分子受体的太阳能电池最近成为该领域的研究热点之一。

茚并噻吩具有较强的共轭体系，优异的电荷传输性，廉价易得，茚并噻吩被广泛应用于小分子光伏材料的构筑单元。为了开发这种材料的最大潜力，研究者采用了很多方法对其进行修饰，例如：Wang等开发了以茚并噻吩为构筑单元的p型聚合物的给体材料，制备的有机电池效率超过9.0％，开路电压(V oc)高达1.0V。表明茚并噻吩是构筑有机半导体材料的有效的电子给体单元^[11-12]。Zheng等以茚并噻吩为核心，开发了n 型小分子受体ITDI，器件效率高达8％，开压达到0.94V^[13]。本发明茚并噻吩为核心，1， 3-茚满二酮、丙二腈及5，6-二氟-3-(二氰基亚甲基)靛酮作为封端基团，并以噻吩为桥连，设计合成了一类以茚并噻吩为核心的n-型有机小分子半导体材料，用以制作高效率的有机太阳能电池器件。目前器件效率最高可达6.03％。

参考文献

[1]Chen,J.-D.；Cui,C.；Li,Y.-Q.；Zhou,L.；Ou,Q.-D.；Li,C.；Li,Y.；Tang,J.-X.Single-Junction Polymer Solar Cells Exceeding 10％Power ConversionEfficiency Adv.Mater.2015,27,1035–1041DOI:10.1002/adma.201404535

[2]He,Z.；Xiao,B.；Liu,F.；Wu,H.；Yang,Y.；Xiao,S.；Wang,C.；Russell,T.P.；Cao,Y.Single-junction Polymer Solar Cells with High Efficiency andPhotovoltage Nat.Photonics 2015,9,174–179DOI:10.1038/nphoton.2015.6