【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于有機(jī)太陽能電池材料，涉及光伏材料的制備，尤其涉及一種基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的二聚體非富勒烯受體分子、制備及作為受體光伏材料的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、近年來，有機(jī)太陽能電池(oscs)引起了人們的廣泛關(guān)注。相對于無機(jī)太陽能電池，太陽能電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：溶液可加工性、重量輕、柔韌性好，還可以利用低成本的溶液進(jìn)行卷對卷噴涂和打印等技術(shù)對其進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。目前，得益于新材料的設(shè)計和器件工藝的協(xié)同發(fā)展，基于受體-給體-受體(a-d-a)型非富勒烯受體(nfa)的oscs的光電轉(zhuǎn)換效率(pce)已超過20％，與商業(yè)化的硅基太陽能電池相當(dāng)，顯示了其巨大的應(yīng)用前景。然而，oscs的穩(wěn)定性一直是本領(lǐng)域的難題。
2、在通常的a-d-a型nfas中，如itic系列、y系列、非稠環(huán)系列等，它們都有一個共同的結(jié)構(gòu)特征，即在d和a單元的連接處有兩個由knoevenagel縮合形成的環(huán)外乙烯橋。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計引起的強(qiáng)推拉電子效應(yīng)使得這個環(huán)外乙烯橋反應(yīng)活性較高。該乙烯橋不僅會受到界面層親核試劑的攻擊，還易在氧氣環(huán)境中發(fā)生光氧化或在惰性氣氛中發(fā)生六電子電環(huán)反應(yīng)，這些都會導(dǎo)致nfas在器件工作過程中發(fā)生降解。因此，如何在分子水平上提高nfas的本征化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性仍然是該領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)解決了現(xiàn)有技術(shù)中有機(jī)太陽能電池受體材料在光照和親核試劑環(huán)境下易發(fā)生降解的技術(shù)問題。通過引入吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)，所得二聚體受體光伏材料具有較高的光穩(wěn)定性、化
2、根據(jù)本專利技術(shù)的第一方面，提供了一種基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子，所述a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)式如式i所示：其中a為吸電子單元，d為給電子單元，a'為基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的吸電子單元；
3、
4、其中：
5、eg選自具有吸電子能力的共軛基團(tuán)；
6、ar選自富電子的共軛芳香結(jié)構(gòu)；
7、x選自氫原子或鹵素。
8、優(yōu)選地，eg選自以下結(jié)構(gòu)中的一種：
9、
10、其中y為氫原子或鹵素中的任意一種，虛線處為eg和ar的連接位置。
11、優(yōu)選地，ar選自以下結(jié)構(gòu)中的一種：
12、
13、其中r1為氫原子、c1-c30的烷基、c1-c30的烷氧基中的任意一種；r2為氫原子、c1-c30的烷基、c1-c30的烷氧基中的任意一種；虛線處為ar與兩端的吸電子單元的連接位置。
14、根據(jù)本專利技術(shù)另一方面，提供了所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，包括以下步驟：
15、(1)將化合物1和2,6-二甲基-4h-吡喃酮溶解于乙酸酐中，在加熱條件進(jìn)行反應(yīng)；充分反應(yīng)后，反應(yīng)液經(jīng)萃取，去除溶劑，純化，得到化合物2；
16、
17、其中x為氫原子或鹵素中的任意一種；
18、(2)在氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w保護(hù)下，將化合物2、化合物3和哌啶溶解于有機(jī)溶劑a中，在70-140℃進(jìn)行反應(yīng)；所述有機(jī)溶劑a為氯仿、甲苯或二甲苯；充分反應(yīng)后，反應(yīng)液經(jīng)萃取，去除溶劑，純化，得到化合物4；
19、
20、(3)在氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w保護(hù)下，將化合物4、化合物5、三氟化硼的乙醚溶液和乙酸酐溶解于有機(jī)溶劑b中，所述有機(jī)溶劑b為干燥氯仿、甲苯或二甲苯；在0-60℃進(jìn)行反應(yīng)；充分反應(yīng)后，反應(yīng)液經(jīng)萃取，去除溶劑，純化，得到基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子式i；
21、
22、其中y為氫原子或鹵素中的任意一種。
23、優(yōu)選地，所述化合物3、化合物4中ar選自以下結(jié)構(gòu)的一種：
24、
25、其中r1為氫原子、c1-c30的烷基、c1-c30的烷氧基中的任意一種，r2為氫原子、c1-c30的烷基、c1-c30的烷氧基中的任意一種；虛線處為ar與兩端的吸電子單元的連接位置。
26、優(yōu)選地，所述步驟(1)中，化合物1和2,6-二甲基-4h-吡喃酮的物質(zhì)的量之比為1:(1-4)；所述化合物1在乙酸酐中的濃度為8mg/ml～12mg/ml；所述反應(yīng)時間為8-24h。
27、優(yōu)選地，所述步驟(2)中，化合物2和化合物3的物質(zhì)的量之比為1:(2-4)；所述化合物2在有機(jī)溶劑a中的濃度為1mg/ml～25mg/ml；所述反應(yīng)時間為12-24h。
28、優(yōu)選地，所述步驟(3)中，化合物4、化合物5、三氟化硼和乙酸酐的物質(zhì)的量之比為1：(2.1-3)：(0.05-1)：(0.05-1)；所述化合物4在有機(jī)溶劑b中的濃度為0.01mg/ml～6mg/ml；所述反應(yīng)時間為0.5～12h。
29、根據(jù)本專利技術(shù)另一方面，提供了所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子在制備光伏受體材料中的應(yīng)用。
30、根據(jù)本專利技術(shù)另一方面，提供了所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子在制備有機(jī)太陽能電池二元器件或有機(jī)太陽能電池三元器件中的應(yīng)用。
31、總體而言，通過本專利技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
32、(1)本專利技術(shù)制備的基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的吸電子單元(化合物2)具有較強(qiáng)的平面性，其晶體有較緊密且規(guī)律的堆積，有利于其在受體分子中形成良好的π-π堆積。
33、(2)本專利技術(shù)制備的基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的能級、寬而強(qiáng)的吸收光譜，使得二聚化材料做為光伏受體材料具有可行性，并為未來低聚物材料做二元器件和三元器件的活性層材料提供了選擇。
34、(3)本專利技術(shù)制備的基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子具有較強(qiáng)的分子平面性，能夠在有機(jī)太陽能電池器件中形成有效的π-π堆積，有利于載流子的傳輸。
35、(4)本專利技術(shù)制備的基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子具有良好的本征穩(wěn)定性，在強(qiáng)光照射和親核試劑的環(huán)境下均表現(xiàn)出顯著提升的穩(wěn)定性，有利于提升有機(jī)太陽能電池器件穩(wěn)定性。
36、(5)本專利技術(shù)制備的基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子所構(gòu)建的有機(jī)太陽能電池器件具有優(yōu)異的外量子效率，和可觀的光電轉(zhuǎn)換效率。
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1.一種基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子，其特征在于，所述A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)式如式I所示：其中A為吸電子單元，D為給電子單元，A'為基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的吸電子單元；
2.如權(quán)利要求1所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子，其特征在于，EG選自以下結(jié)構(gòu)中的一種：
3.如權(quán)利要求1所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子，其特征在于，Ar選自以下結(jié)構(gòu)中的一種：
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.如權(quán)利要求4所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，所述化合物3、化合物4中Ar選自以下結(jié)構(gòu)的一種：
6.如權(quán)利要求4所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，所述步驟(1)中，化合物1和2,6
7.如權(quán)利要求4所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，所述步驟(2)中，化合物2和化合物3的物質(zhì)的量之比為1:(2-4)；所述化合物2在有機(jī)溶劑A中的濃度為1mg/mL～25mg/mL；所述反應(yīng)時間為12-24h。
8.如權(quán)利要求4所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，所述步驟(3)中，化合物4、化合物5、三氟化硼和乙酸酐的物質(zhì)的量之比為1：(2.1-3)：(0.05-1)：(0.05-1)；所述化合物4在有機(jī)溶劑B中的濃度為0.01mg/mL～6mg/mL；所述反應(yīng)時間為0.5～12h。
9.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子在制備光伏受體材料中的應(yīng)用。
10.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的A-D-A'-D-A型二聚體非富勒烯受體分子在制備有機(jī)太陽能電池二元器件或有機(jī)太陽能電池三元器件中的應(yīng)用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子，其特征在于，所述a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子結(jié)構(gòu)式如式i所示：其中a為吸電子單元，d為給電子單元，a'為基于吡喃酮結(jié)構(gòu)的吸電子單元；
2.如權(quán)利要求1所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子，其特征在于，eg選自以下結(jié)構(gòu)中的一種：
3.如權(quán)利要求1所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子，其特征在于，ar選自以下結(jié)構(gòu)中的一種：
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.如權(quán)利要求4所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，所述化合物3、化合物4中ar選自以下結(jié)構(gòu)的一種：
6.如權(quán)利要求4所述的基于吡喃酮-環(huán)鎖結(jié)構(gòu)的a-d-a'-d-a型二聚體非富勒烯受體分子的合成方法，其特征在于，所述步驟(1)中，化合物1和2,6-二甲基-4h-吡喃酮的物質(zhì)的量之比為1:(1-4)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李忠安，何亞新，喬偉國，
申請(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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