[发明专利]基于螺芳基单元的共轭小分子半导体材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一类基于螺芳基单元的共轭小分子半导体材料及其制备和应用。其结构如通式(Ⅰ)所示：Ar表示芳基、杂环芳基中的苯、噻吩、萘、苯并噻吩一种或两种，X为硫原子、氧原子、硒原子、碳原子中的一种，R₁、R₂分别是氢原子、直链烷基、支链烷基、直链烷氧基、支链烷氧基、酯基中的一种，或是直链烷氧基、支链烷氧基中的一种；本发明通过Buchwald偶联反应或Ullmann偶联反应制备合成；该类材料具有良好的溶解性、热稳定性和成膜性，具有较高的载流子迁移率以及高达7.22％的半透明钙钛矿太阳能电池光电转换效率。有望在有机太阳能电池、有机发光二极管、钙钛矿太阳能电池等有机光电器件获得广泛应用。

技术领域

本发明为一类有机共轭半导体材料设计、合成及其光电应用，具体为一类基于螺芳基单元的共轭小分子材料及其制备和应用。

背景技术

金属卤化物钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)作为一种新型薄膜太阳能电池，因其全固态结构、制备工艺简单、成本低廉等优点迅速成为近几年的研究热点，表现出巨大的商业化应用前景。自2009年制备出第一块电池，在过去短短的几年时间里，其光电转换效率已经提高到23％。其中基于卤素替换或掺杂的宽光学带隙的钙钛矿材料，具有半透明性、电压高等优点，使其成为透明钙钛矿太阳能电池以及叠层钙钛矿太阳能电池的重要选择。

空穴传输材料作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分之一，对钙钛矿电池的效率、稳定性以及大规模的生产具有至关重要的影响。虽然特定材料通过不同的器件结构设计与制作，可以得到优化的器件性能，但是，材料结构与性质从根本上决定了器件最优性能的上限，而且材料本身的光电性质、热力学稳定性也将直接影响其在器件中的表现。

相比于聚合物空穴传输材料与无机空穴传输材料，共轭小分子空穴传输材料来源丰富，不仅具有确定的分子量和良好的溶液加工性，而且可以通过化学修饰对其光电性质进行调控，比如能级、带隙、迁移率以及导电性等，另外还可以对材料的形貌进行调控，这些优点使其在构筑低成本、大面积、全柔性、透明光电器件方面显示了潜在的应用前景，因此开发廉价、高效、新型的有机共轭小分子空穴传输材料在钙钛矿电池的商业化应用中起着重要的作用。

螺芳基单元的共轭小分子半导体材料凭借特殊的三维结构、电子效应以及优良的热稳定性成为近年来有机功能材料研究的热点之一，其在有机发光二极管、场效应晶体管、太阳能电池、生物与化学传感等领域的应用研究方兴未艾。以螺芳基单元作为核心，各种不同结构共轭小分子半导体材料正在被源源不断地开发。

在螺芳基的共轭小分子中，杂原子的引入可以增强分子的结晶性和分子间的相互作用，提高材料的载流子迁移率，另外还可以有效地调控分子的HOMO和LUMO能级。

本发明通过Buchwald偶联反应或者Ullmann偶联反应合成一类基于螺芳基单元的共轭小分子半导体材料。其制备简单，成本低廉，提纯方便，并且很容易引入功能单元、柔性烷基链等，从而改善材料的稳定性和溶解性，能级和光电性质。此外，所述材料已成功应用到半透明钙钛矿电池器件中。

发明内容

技术问题：本发明的目的是开发出一类合成简单、成本低廉；具有良好的溶解性、成膜性、热稳定性、高迁移率性质的基于螺芳基单元的共轭小分子半导体材料及其制备和应用。

技术方案：本发明的基于螺芳基单元的共轭小分子半导体材料具有以下通式(Ⅰ)结构：

通式(I)

Ar表示芳基、杂环芳基中的苯、噻吩、萘、苯并噻吩一种或两种，X为硫原子、氧原子、硒原子、碳原子中的一种，R₁、R₂分别是氢原子、直链烷基、支链烷基、直链烷氧基、支链烷氧基、酯基中的一种，或是直链烷氧基、支链烷氧基中的一种。