[发明专利]含有苯并二噻吩七并稠环主链扭曲型小分子近红外吸收材料、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种含有苯并二噻吩七并稠环主链扭曲型小分子近红外吸收材料、制备方法及应用，本发明的小分子近红外吸收材料以苯并二噻吩作为富电单元，两侧缺电单元连接于噻吩桥连单元的4‑位，可以实现对光电性能的调节，拓宽并增强吸收光谱，抬升LUMO能级，满足光伏电池光活化层电子受体材料的需要。该类小分子受体具有提升光伏器件效率的应用潜力，通过进一步选择合适的给体，以及器件工艺的改进，基于苯并二噻吩扭曲型小分子受体的器件效率有望进一步提升。该材料的结构通式如式Ⅰ所示：

技术领域

本发明属于有机光电功能材料领域，涉及近红外吸收材料，具体涉及一类含有苯并二噻吩七并稠环主链扭曲型小分子近红外吸收材料、制备方法及应用。

背景技术

当前，有机太阳能电池因具有重量轻、成本低、可溶液加工、可制备成柔性器件等特点，已经成为光伏电池研究领域中最为活跃的方向之一。具有光吸收特性的光活性层材料是有机太阳能电池的关键光敏层，其性质决定着电池器件对太阳光的有效吸收、激子的产生和扩散、电荷的分离和输运，并最终决定着电池的光电转换效率。

光活性层是由电子给体材料和电子受体材料组成的本体异质结结构，作为优良的光活性层，需要给体和受体在吸收和分子能级方面具有如下特性：(1)具有宽而强的吸收光谱，有效利用太阳光以产生光生激子。由于太阳光谱的大部分辐射强度位于可见-近红外区，而单一材料的吸收范围有限，很难覆盖主要的太阳光谱区，因此，给体与受体光吸收的互补性尤为重要，其中之一应具有宽至近红外区的光吸收能力。(2)给体材料的最高占有分子轨道(HOMO)能级与受体材料的最低空轨道(LUMO)能级差应足够大，从而确保足够大的器件开路电压。这意味着给体应具有较低的HOMO能级，而受体材料具有较高的LUMO能级。在2015年之前的有机光伏电池研究中，通常以共轭聚合物作为电子给体，以富勒烯衍生物，如PC₆₁BM、PC₇₁BM等作为电子受体，基于聚合物/富勒烯体系的有机太阳能电池的效率可突破11％[Nature Energy,2016,1,15027]。值得提出的是，富勒烯及其衍生物虽然有高的电子传输性，但同时也有其固有的缺点，包括：制备难度大、成本高、在可见光区吸收弱、能级难以灵活调控、在一般溶剂中溶解性差、容易聚集形成大的相分离等[Nat.Photonics 2012,6,153]，这些缺点制约着基于富勒烯衍生物的有机太阳能电池性能的进一步突破。在富勒烯被广泛研究和使用的同时，非富勒烯类小分子电子受体材料也引起广泛关注，并成为近几年的研究热点。这类小分子受体材料具有如下特点：可采用常规的有机合成方法制备、带隙窄、在长波方向有强吸收、结构和能级可方便调节、溶解性能优异等优点。其中苝二酰亚胺(PDI)是有机太阳能电池领域被研究最早的一类材料，相比富勒烯衍生物，苝二酰亚胺类受体具有优良的光吸收特性、较高的电子迁移率、可调的最高占有分子轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)能级、与富勒烯相当的电子亲和能，并且可以通过简单地修饰改变母核以及侧位取代基，从而得到一系列具有优良光电性能的n-型电子受体材料[Adv.Mater.2010,22,3876]，但是此类材料较宽的带隙以及在共混膜中易聚集的性质限制了其广泛应用；除此之外，并五苯类及其衍生物也可用作受体材料，其易于通过化学修饰调控薄膜形态，以提高电荷传输速率[Adv.Energy.Mater.2011,1,431]；而基于苯并噻二唑类材料制作的光伏器件，同样表现出良好的电子传输性能[Adv.Energy Mater.2013,3,54]；吡咯并吡咯二酮[J.Mater.Chem.2010,20,3626]具有宽的光吸收范围，同时具有优异的电化学性能、热力学稳定性和机械加工性能，可以满足制作有机电子器件的工艺要求。占肖卫等于2015年开发了基于二噻吩并引达省类电子受体分子，稠环延伸了π共轭框架，得到高的电子迁移率。因其分子的电子推拉结构，能诱导更高效的分子内电荷转移，从而拓宽材料的吸收光谱，将其与窄带隙的给体聚合物材料PTB7-Th共混，器件效率达到了6.31％[J.Mater.Chem.A.2015,3,1910]。该类二噻吩并引达省型小分子受体材料通常具有五并稠环或七并稠环的结构，另外，该类材料两侧端基缺电单元可与共混膜中的给/受体分子发生π-π交互作用，形成分子间的电子传输通道[Adv.Mater.2017,29,1700254]，因其这些优异的性能而引起了广泛关注。以该类材料作为电子受体制备有机光伏电池，其光电转换效率已经超越富勒烯类电子受体[Adv.Mater.2016,28,1884；Adv.Mater.2016,28,4734；Adv.Mater.2016,28,9423]。邹应萍等于2019年开发了一类以噻吩吡咯并苯并噻二唑(TPBT)为中心核的稠环受体Y6，与PM6等宽带隙给体共混制备的单结有机光伏电池效率突破16％