[发明专利]苝二酰亚胺六聚体化合物及制备方法、组合物和有机太阳能电池

说明书

本发明提供一种螺旋桨式的苝二酰亚胺六聚体化合物(HPB‑PDI₆)，其以六苯基苯(HPB)作为核，周围连接六个β位取代的PDI单元。HPB独特的分子构型和PDI单元间的空间排斥使HPB‑PDI₆形成了三维扭曲的构型，近似于螺旋桨式。这种高度扭曲的结构有助于减弱PDI的聚集作用。将聚合物PTB7‑Th与HPB‑PDI₆混合用于制备有机太阳能电池，呈现出良好的光伏性能。

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地涉及一种螺旋桨式的苝二酰亚胺六聚体化合物及其制备方法，以及该苝二酰亚胺六聚体化合物在有机太阳能电池中的应用。

背景技术

随着人口的日益增长，人类对能源的需求也在不断提升，煤、石油和天然气等化石能源的开采终无法永久满足人类的能源需求，并且这些化石能源会带来环境污染和温室效应。因此，科学家们积极研究风能、地热能、潮汐能和太阳能等绿色可再生的能源。其中，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的能源，它比核能更安全，相对于风能和潮汐能来说可以受地理条件的限制更小，是一种非常值得关注的绿色能源。即使太阳能到达地球的部分只占二十亿分之一，在经过大气层损失之后到达地面的只有70％，最后剩下的能量仍远超过人类现在的消耗。

太阳能电池主要分为无机太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。无机太阳能电池可以分为无机硅太阳能电池和基于铜铟镓硒、碲化镉和砷化镓等化合物电池。目前硅太阳能电池已经实现了广泛的商业化应用，然而单晶硅和多晶硅的加工复杂，成本高；基于铜铟镓硒等化合物电池中应用了有毒的重金属，铟和硒很稀有，成本高，难以大面积制备；钙钛矿太阳能电池中含铅，从长远角度来看都不是最佳选择。有机太阳能电池的优点很明显，它成本低，质量轻，柔性可大面积制备加工。虽然在早期效率较低，但随着人们对聚合物给体和非富勒烯受体的研究，最高效率已经超过14％，离实现商业化应用又近了一步。

第一个概念上的有机太阳能电池是1959年Kallmann等人报道的将纯单晶蒽材料夹在两个电极之间组成的器件。然而自此之后长达25年，光电转换效率只维持在0.1％甚至更低的水平上。直到1986年，Tang等人报道了第一个效率在1％的有效的有机太阳能电池，它采用了双层结构，利用酞菁铜和二萘嵌苯衍生物作为活性层，将有机太阳能电池的发展推向了一个新的阶段。它成功引入了P型给体和N型受体，并形成了能使激子有效分离的给受体界面。1992年Sariciftci和Yoshino等科学家均发现，在用聚合物MEH-PPV作为电子给体(D)，C60作为电子受体(A)的混合膜体系中，通过光诱导，电子可以在给体和受体之间进行快速转移。基于该现象，1993年Heeger等人制备了MEH-PPV:C60的双层异质结结构的有机太阳电池。自此之后，C60一类的富勒烯衍生物电子受体开始被广泛应用发展。Heeger等为了解决激子有效分离和扩散的问题，将给体和受体均匀共混，制备了体异质结结构的太阳能电池，这种结构可以有效克服双层异质结结构有限的给受体界面以及激子扩散长度的不足器件，效率得到了明显改善。目前体异质结有机太阳能电池是研究者们主要采用的器件结构。体异质结太阳能电池有很多优点，比如它可以进行溶液加工、质量轻、成本低和柔性等。尤其是基于富勒烯类衍生物受体的体异质结太阳能电池得到了研究者们广泛的关注。富勒烯类衍生物具有高电子迁移率和电子亲和力以及各项异性电荷传输等特点，经常在体异质结太阳能电池中被用来作为受体材料。目前，单结的有机太阳能电池的PCE已经超过了11％。但是富勒烯衍生物化学修饰困难而且成本高，对可见光的吸收差，能级调控有限。因此，有必要开发一种新的有机太阳能电池的活性材料。

发明内容

基于现有技术中的问题，本发明提供了一种新型的螺旋桨式的苝二酰亚胺六聚体(HPB-PDI₆)化合物，它以六苯基苯(HPB)作为核，周围连接六个β位取代的PDI单元。本发明所述的苝二酰亚胺六聚体化合物具有式(I)所示的化学结构：