[发明专利]一种含吡咯稠环的星型共轭分子及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种含吡咯稠环的星型共轭分子及其制备方法与应用，含吡咯稠环的星型共轭分子结构如式1，其中，X为O、S或Se；L为吡咯环氮原子上的取代基，选自取代或未取代烷基、取代或未取代芳烷基、或取代或未取代杂芳烷基；吡咯环与中心苯环通过杂原子为X的五元杂芳环稠并；Ar为取代或未取代的芳环、取代或未取代的杂芳环、取代或未取代的杂芳稠环，且Ar通过吡咯环稠并形成共轭稠环结构；EG₁、EG₂、EG₃为具有π‑共轭结构的拉电子单元。本发明的含吡咯稠环的星型共轭分子具有高摩尔消光系数和较宽的吸收光谱、合适的前线轨道能级以及高的迁移率，可作为电子受体材料应用于有机太阳能电池中，并能获得较高的能量转换效率。

技术领域

本发明涉及一种星型共轭分子，具体涉及一种含吡咯稠环的星型共轭分子及其制备方法与应用。

背景技术

溶液加工的体异质结有机太阳能电池具有成本低、柔性以及可大面积卷对卷印刷等优点，展示出巨大的商业应用潜力。近年来，非富勒烯受体材料，尤其是稠环电子受体材料的快速发展，对推动有机太阳能电池能量转换效率(PCE)提升起到了关键作用。与传统的富勒烯受体相比，非富勒烯受体材料有效解决了富勒烯受体结构修饰困难，可见光区吸收弱，能级和吸收调控困难的问题。2015年，占肖卫等报道了首例具有受体-给体-受体(A-D-A)结构的稠环电子受体ITIC，从而引发稠环电子受体材料研究热潮。这种A-D-A结构特征产生分子内电荷转移，使吸收光谱可以从可见光区拓展到红光及近红外光区域，增强了活性层对太阳能的有效利用，进而保证了太阳能电池较大的短路电流。2019年，邹应萍等将缺电子的苯并噻二唑和苯并三氮唑等作为中心核引入稠环结构，并用吡咯环替换环戊二烯环，开发了具有A-DA’D-A结构的Y6系列稠环电子受体。该类型分子具有近红外的吸收，较低能量损失和较高的电子迁移率，及其分子间三维网络堆积结构形成多重电荷传输通道，从而使有机太阳能电池的最高效率突破18％。

上述高效的稠环电子受体大都是采用线型结构。与之相比，由星型稠环骨架和多个拉电子端基所构成的D-A结构星型稠环电子受体能够拓展共轭维度，有利于各向同性的电子传输，并增强光吸收能力。例如，以三聚茚为稠环骨架构建的D-A结构的宽带隙星型稠环电子受体，摩尔消光系数高达3.3×10⁵M^-1cm^-1，通过分子结构的精细调控以及系统的器件优化，其能量转换效率超过10％。又如，以苯并三(环戊二烯并二噻吩)和苯并三(噻吩并环戊二烯并噻吩)构建的D-A结构星型稠环电子受体，通过延长星型稠环骨架的有效共轭长度，使吸收光谱红移，短路电流提高，有机太阳能电池的器件性能可达到10.39％。基于苯并三(环戊二烯并二噻吩)星型稠环电子受体的单晶结构证实了星型稠环电子受体能够形成分子间的三维堆积网络，提升电荷传输性能，从而获得比线型受体更高的迁移率。星型稠环电子受体还表现出良好的溶液加工性能和较好的器件稳定性。然而，与种类丰富的线型稠环电子受体相比，由于可用于设计高效星型稠环电子受体的稠环骨架单元种类较少，星型稠环电子受体种类很少，发展缓慢。除此之外，现有的星型稠环电子受体仍存在吸收光谱不够红、带隙较宽以及分子结晶性弱等问题，限制其光伏性能的进一步提升，导致目前基于这类受体的有机太阳能电池的能量转换效率仍滞留在10％。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种含吡咯稠环的星型共轭分子及其制备方法与应用。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供一种含吡咯稠环的星型共轭分子，具有如下结构通式：

其中，X为O、S或Se；

L为吡咯环氮原子上的取代基，选自取代或未取代的烷基、取代或未取代的芳烷基和取代或未取代的杂芳烷基中的一种，所述吡咯环与中心苯环通过杂原子为X的五元杂芳环稠并；