[发明专利]一种A-D-A型光伏小分子及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种A‑D‑A型光伏小分子及其制备方法与应用，所述小分子以二噻吩并噻咯为核、1,3‑茚満二酮(IN)以及其丙二腈衍生物(INCN)作为不同的封端基团的新型A‑D‑A型小分子DINDTS和DINCNDTS，用于可溶液处理的本体异质结(BHJ)太阳能电池。基于DINDTS:PC₇₁BM的器件能量转化效率为6.60％，其电流密度(J_sc)为13.50mA cm^‑2。然而基于DINCNDTS：PC₇₁BM的器件，能量转化效率只有0.58％，其电流密度仅为1.82mA cm^‑2。

技术领域

本发明涉及A-D-A型有机光伏小分子的合成方法以及基于可溶液处理的给体小分子的有机太阳能器件的光伏性能研究。

背景技术

近些年来，可溶液处理的本体异质结有机太阳能电池由于具有质轻、柔性好、低成本以及可通过印刷进行大面积制造等优点，已经受到了研究者们越来越多的关注。得益于新型活性层材料的开发以及器件工艺的优化，基于富勒烯及其衍生物为受体，聚合物或小分子为给体的有机太阳能电池已经取得了重大的进展，能量转化效率(PCE)都已经超过了10％。研究化学结构-光谱和能级-器件性能三者之间的关系对于通过分子设计进一步提高光伏性能是非常重要的。而相比共轭聚合物，小分子展现了更多独特的优点，例如结构明确、纯度高、能级易于调控以及器件性能无批次差异。所以，小分子更有利于研究分子结构与性能之间的关系。

在报道过的优异给体材料中，基于二噻吩并噻咯(DTS)单元的聚合物和小分子都具有宽吸收、高空穴迁移率和良好的光伏性能，这得益于DTS单元具有高度的平面性和良好的给电子能力。DTS是构建有机太阳能电池中高效率给体材料的非常具有前景的结构单元。此外，为了进一步提升有机太阳能电池的器件性能，可以利用各种工艺技术来对活性层的形貌进行调控，比如加入溶剂添加剂，热退火和溶剂退火处理等。在这些工艺里面，溶剂蒸气退火处理被认为是一种调控共混薄膜形貌以及提高短路电流密度(J_sc)以及填充因子(FF)的有效方法。溶剂蒸气可以渗入到共混层中促使给体与受体材料的重排并影响给体与受体材料之间的相分离的尺寸。

发明内容

本发明提供一种A-D-A型有机光伏小分子，所述小分子以二噻吩并噻咯(DTS)为中心给体单元、1,3-茚满二酮(IN)或3-(二氰基亚甲基)靛酮(INCN)为封端受体单元，以单噻吩作为π桥的可溶液处理的小分子给体材料DINDTS和DINCNDTS，研究不同封端基团对于分子的光学、电化学性质以及光伏性能的影响，为进一步设计高性能光伏材料提供指导。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种A-D-A型光伏小分子，所述小分子为式(Ⅵ)所示DINDTS或式(Ⅶ)所示DINCNDTS，

本发明还提供一种所述A-D-A型光伏小分子的制备方法，所述方法为：

(1)Stille交叉偶联反应：将式(Ⅰ)所示化合物(即双边三甲基锡取代的硅杂环戊并二噻吩)和式(Ⅱ)所示化合物(即2-异辛基取代的噻吩溴醛)溶于有机溶剂A中，在四三苯基膦钯的催化作用下110℃搅拌回流过夜，反应液后处理，制得式(Ⅲ)所示化合物；所述有机溶剂A为超干甲苯；

(2)Knoevenagel缩合反应：将式(Ⅲ)所示化合物与式(Ⅳ)所示化合物(1,3-茚満二酮)或式(V)所示化合物(即3-(二氰基亚甲基)靛酮(INCN))溶于有机溶剂B中，在哌啶或吡啶作用下60℃下搅拌回流3h，反应液分离纯化，分别制得式(Ⅵ)所示DINDTS或式(Ⅶ)所示DINCNDTS；所述有机溶剂B为重蒸三氯甲烷(A.R.，使用前需加氢化钙回流数小时，然后蒸馏，收集61-62℃馏分)；