[发明专利]一种硫原子稠环的电子受体材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开一种硫原子稠环的电子受体材料及其制备方法和应用。该受体材料特点如下：(1)利用电子受体—电子给体—电子受体—电子给体—单子受体(A‑D‑A‑D‑A)的分子结构，降由于分子内电子推拉效应，可有效降低化合物的LUMO能级和带隙，有利于电子的注入和传输，并得到具有近红外吸收性能的材料；(2)与经典的母核为碳原子稠环电子受体相比，本发明设计将硫原子引入稠环电子结构，可有效提高稠环母核的π电子共轭程度，并提高分子的平面性，有利于载流子在分子内的传输。该受体材料具有良好的溶解性和成膜性，具有较强的可见光和近红外吸光性能，较高的电子迁移率，可以广泛应用于有机太阳能电池领域。

技术领域

本申请涉及有机太阳能电池领域，尤其涉及有机太阳能电池电子受体材料及其制备方法和应用。

背景技术

有机太阳能电池具有柔性、轻质、低成本和可通过卷对卷印刷生产的特点，因而在过去的二十多年里，受到科研领域和工业界广泛的关注。从材料构成上来讲，电子给体材料和电子受体材料是有机太阳能电池的重要组成部分。其中，相比于传统的富勒烯类受体材料，非富勒烯电子受体材料凭借其吸光性强、带隙和能级易调控、稳定性高、光电转换效率高等优势，在近年来发展迅速。目前，基于非富勒烯受体材料的单节有机太阳能电池效率已经突破16％(Nat.Commun.2019,10,2515)，叠层电池效率则达到了17.6％(Science.2018,361,1094-1098)。

现有的非富勒烯稠环电子受体材料主要采用碳原子稠环体系，由于给电子单元中的关环碳原子给电子能力较弱且在分子中采取SP³杂化，因而导致材料迁移率较低、吸光性不足、电子带隙较宽等缺点，阻碍了其产业化应用。因此，开发新型的电子受体材并提高器件性能成为亟需解决的难题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供硫原子稠环的电子受体材料及其制备方法和应用。

本申请的技术方案如下：

首先，提供一种硫原子稠环的电子受体材料，其分子结构具体如下：

其中，A₁为具有吸光性的强吸电子单元，以共价键与D单元相连，同时和硫原子相连形成稠环电子结构，其可为以下基团的任意一种(虚线为基团的连接位置)：

其中，X为氧原子、硫原子或者硒原子，R₁为C₁-C₂₀的烷基链，可以为直链也可以为叉链。

D为给电子基团，与母核A₁形成稠环结构，可增强分子内电荷转移效应和分子平面性，其可为以下基团的任意一种(虚线为基团的连接位置)：

其中，R₂，R₃和R₄为氢原子、烷基链、烷氧基链、烯基、炔基、芳基或者酯基中的任意一种。

A₂为染料基团，具有很强的吸光性和拉电子能力，可提高分子的光吸收性能，同时和母核连接降低分子能级获得n型半导体，其可为以下基团的任意一种(虚线为基团的连接位置)：

其中，R₅为氢原子、卤素、烷基链、卤代烷基链、烷氧基链、卤代烷氧基链、烯基、炔基、芳基或者酯基中的任意一种。

其次，本申请还提供一种硫原子稠环的电子受体材料的制备方法，合成步骤包括：

(1)化合物1和化合物2在催化剂催化下通过Stille偶联生成化合物3：

(2)化合物3通过关环得到硫原子稠环的化合物4：