[发明专利]一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法和应用，所述电子给体材料以氮杂碗烯为内核，内核边缘对称连接4或5个芳环并芘结构单元，相邻的芳环并芘结构单元与内核边缘构成单重[n]螺烯，总共包含三或五重[n]螺烯。本发明的的制备方法简单有效，过程易于控制，所合成的具有三或五重结构的杂[n]螺烯分子具有较高稳定性，可用作有机太阳能电池的电子给体材料，从而提高有机太阳能电池的稳定性与效率。

技术领域

本发明涉及太阳能电池材料技术领域，特别涉及一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法和应用。

背景技术

太阳能电池因能够直接将太阳能转化为电能而受到广大研究者们的青睐。在众多太阳能电池中，有机太阳能电池(OSCs)由于具有可溶液加工、低成本、柔性和易大面积制备等优点被广泛研究。在过去二三十年的时间里，有机太阳能电池的光电转换效率持续上升。目前，文献报道有机太阳能电池的效率达到19％(Adv.Mater.,2021,33,2102420)，接近商业化的门槛。伴随着越来越多新型材料的问世，有机太阳能电池作为一种新型电池正展现着出前所未有的活力。

为了提升有机太阳能电池的稳定性与光电转换效率，科学家对有机太阳能电池的活性层进行优化和改良。电子给体材料是有机太阳能电池活性层的关键组成部分之一，优化给体材料对于提高有机太阳能电池的效率和稳定性具有十分重要的意义。目前有机太阳能电池采用的电子给体材料主要是基于平面共轭π体系的聚合物或有机小分子。虽然这些给体材料具有优异的光伏性能，但是，基于平面共轭π体系给体材料的电池在加热或光照条件下，平面共轭分子之间容易发生聚集，导致活性层形貌不稳定，限制了有机太阳能电池器件稳定性的提高，不利于有机太阳能电池的商业化应用。因此，开发新型电子给体材料进而提高有机太阳能电池的稳定性已经成为有机太阳能电池进一步发展的关键之一。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料及其制备方法，以用于有机太阳能电池的电子给体材料，提高有机太阳能电池的稳定性和效率。

本发明采用以下技术方案：

一种三或五重杂[n]螺烯电子给体材料，所述电子给体材料以氮杂碗烯为内核，内核边缘对称连接4或5个芳环并芘结构单元，相邻的芳环并芘结构单元与内核边缘构成单重[n]螺烯，总共包含三或五重[n]螺烯，其化学结构式如下：

其中，n为邻位稠合芳香环的个数，m为芳环并芘结构单元的个数，Q为芳环或并芳环单元，选自芳香环及其衍生物；R1和R2分别选自H原子、芳基、胺基、卤素原子或碳原子数为1-10直链或支链烷基、碳原子数为1-10直链或支链烷氧基、碳原子数为1-10直链或支链烷硫基以及碳原子数为1-10直链或支链的胺中的任意一种。

进一步地，所述Q的化学结构式为以下任意一种：

其中，X为氧原子、硫原子、硒原子或氮原子中的任意一种；R1-R8分别选自H原子、芳基、胺基、卤素原子或碳原子数为1-10直链或支链烷基、碳原子数为1-10直链或支链烷氧基、碳原子数为1-10直链或支链烷硫基以及碳原子数为1-10直链或支链的胺中的任意一种。

进一步地，当所述内核边缘对称连接5个苯并芘结构单元，Q为苯基、R1为丙氧基、R2为H原子、m等于5时，所述电子给体材料为氮杂五重[7]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即N-Q7H，所述N-Q7H的化学结构式为：

进一步地，当所述内核边缘对称连接5个芳环并芘结构单元，Q为萘基、R1为二甲基-苯基、R2为叔丁基、m等于5时，所述电子给体材料为氮杂五重[9]螺烯基有机太阳能电池给体材料，即N-Q9H，所述N-Q9H的化学结构式为：