一種有機(jī)太陽能電池材料的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種有機(jī)太陽能電池材料的制備及其應(yīng)用，該材料是以苯基咔唑?yàn)楹?、噻?苯并噻唑衍生物為枝臂的多臂結(jié)構(gòu)化合物，其通式結(jié)構(gòu)如下式I所示：其中，X為噻吩衍生物，選自以下基團(tuán)之一：R1～R4為獨(dú)立的氫、C1-C12烷基或烷氧基；n為0～6；N為氮原子，S為硫原子。該材料具有良好的非晶態(tài)特性和溶解性，可以用溶液法制備高質(zhì)量的薄膜，而且與現(xiàn)有聚合物材料相比更易純化而得到高純度材料。
【專利說明】一種有機(jī)太陽能電池材料的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬光伏【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種有機(jī)太陽能電池材料，更具體地涉及一種星型多臂結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用；該材料是以苯基咔唑?yàn)楹?，以噻?苯并噻二唑衍生物為枝臂的星型多取代化合物，該材料可作為有機(jī)太陽能電池活性層、光捕獲或電子給體材料應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池器件。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是人類期待已久的可再生清潔能源。雖然無機(jī)太陽能電池材料和多樣的器件結(jié)構(gòu)得到了很大發(fā)展，但是其昂貴的成本和嚴(yán)重的光腐蝕導(dǎo)致其能源份額仍然很低，限制了無機(jī)太陽能電池的發(fā)展。因此，開發(fā)新材料使太陽能能源利用走上可持續(xù)發(fā)展的道路顯得尤為迫切?；谟袡C(jī)/聚合物半導(dǎo)體材料的有機(jī)太陽能電池由于其成本低、質(zhì)輕、可柔性化、可大面積制備等顯著優(yōu)勢，使其成為最有希望的下一代能源技術(shù)。
[0003]聚合物太陽能電池由于聚合物本身的多分散性使器件的可重復(fù)性較差，另外它的純度也很難控制。但是在制備器件時(shí)，聚合物的可溶液加工特性具有成本低和便利的優(yōu)點(diǎn)。而有機(jī)小分子具有明確的分子結(jié)構(gòu)和確定的分子量，可通過實(shí)驗(yàn)技術(shù)嚴(yán)格純化，器件的可重復(fù)性好。因此，發(fā)展高純度單分散可溶液加工的有機(jī)太陽能電池材料，可以兼具聚合物材料的溶液可加工特性和有機(jī)小分子材料高純度的特點(diǎn)。
[0004]通過分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)， 開發(fā)新型的有機(jī)太陽能電池材料尤為重要。對于材料而言，將分子設(shè)計(jì)成星型結(jié)構(gòu)，有利于防止分子間的緊密堆積，有效地抑制材料的結(jié)晶性，提高無定形性能。結(jié)合前期工作基礎(chǔ)，本發(fā)明設(shè)計(jì)合成了一種以苯基咔唑?yàn)楹?、噻?苯并噻二唑衍生物為枝臂的星型材料。剛性的苯基咔唑基團(tuán)有利于提高材料的空穴傳輸能力，同時(shí)苯基咔唑作為給體和苯并噻二唑的衍生物作為受體之間的相互作用，使得材料表現(xiàn)出較低的HOMO值和較窄的能隙，有助于獲得較大的開路電壓和較高的光吸收效率。苯并噻二唑具有吸光系數(shù)高、熱穩(wěn)定性好、氧化電位較高的特點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池材料。噻吩環(huán)上引入烷基鏈可增強(qiáng)材料的溶解性。這類星型材料可以通過簡易的溶液成膜方式制備有機(jī)太陽能電池材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的在于提供一種有機(jī)太陽能電池材料與制備方法及其應(yīng)用，使材料的成膜性、熱穩(wěn)定性等得到大幅提升，可作為活性材料應(yīng)用于制備有機(jī)太陽能電池器件。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明提出一種有機(jī)太陽能電池材料，該材料是以苯基咔唑?yàn)楹?、噻?苯并噻二唑衍生物為枝臂的多臂結(jié)構(gòu)化合物，其通式結(jié)構(gòu)如下式I所示:
[0007]
【權(quán)利要求】
1.一種有機(jī)太陽能電池材料，其特征在于該材料是以苯基咔唑?yàn)楹恕⑧绶?苯并噻二唑衍生物為枝臂的多臂結(jié)構(gòu)化合物，其通式結(jié)構(gòu)如下式I所示:
2.一種如權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)太陽能電池材料的制備方法，其特征是，基于苯基咔唑?yàn)楹?、噻?苯并噻二唑衍生物為枝臂的多臂結(jié)構(gòu)化合物的制備方法包括以下步驟: 1)將咔唑與對二溴苯反應(yīng)制備9-(4-溴苯基)咔唑核,經(jīng)溴化、硼酸酯化,通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)與噻吩-苯并噻唑單溴取代化合物反應(yīng)制備苯基咔唑?yàn)楹?、噻?苯并噻唑衍生物為枝臂的化合物，溴化，最后與封端基團(tuán)X反應(yīng)得到終產(chǎn)物； 2)將制得的9-(4-溴苯基)咔唑溶于溶劑A后，在避光和冰浴條件下緩慢滴加NBS溶液，室溫下反應(yīng)3-8h，經(jīng)淬滅、水洗、萃取、干燥，得到粗產(chǎn)物分離提純； 3)將步驟2所得的產(chǎn)物溶于溶劑B，在-78°C下，緩慢滴加丁基鋰，然后快速注入異丙醇頻哪醇硼酸酯，繼續(xù)反應(yīng)6-12h。冰水淬滅、萃取、干燥后，抽濾，得到粗產(chǎn)物分離提純，得到苯并咔唑三硼酸酯； 4)將苯并噻唑溴化得到4，7-二溴-2，I, 3-苯并噻二唑，將烷基噻吩先溴化再硼酸酯化得到烷基噻吩單硼酸酯，通過Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)苯并噻唑雙烷基噻吩取代衍生物，然后控制反應(yīng)條件進(jìn)行單溴取代，得到噻吩-苯并噻唑單溴取代化合物； 5)惰性氣氛下，將步驟3)制得的苯并咔唑三硼酸酯，步驟4)制得的噻吩-苯并噻唑單溴取代化合物，Pd (pph3)4，溶于溶劑C，加入K2CO3水溶液，控溫85-110°C回流，反應(yīng)48_72h后倒入水中、萃取、干燥、柱層析得到固體； 6)惰性氣氛下，將步驟5所得產(chǎn)物溶于甲苯等有機(jī)溶劑D和助劑中，加入封端基團(tuán)X反應(yīng)，經(jīng)水洗、萃取、干燥、柱層析，得到終產(chǎn)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種有機(jī)太陽能電池材料的制備方法，其特征在于，步驟2)中的溶劑A為二氯甲烷DCM、四氫呋喃THF或DMF中的一種或幾種，反應(yīng)物9- (4-溴苯基)咔唑的摩爾數(shù)與溶劑A的體積比為lmmol:5mL~15mL，反應(yīng)物苯基咔唑與NBS的摩爾比為.1:1.8 ~2.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種有機(jī)太陽能電池材料的制備方法，其特征在于，步驟3)中的溶劑B為氯仿、四氫呋喃THF或DMF中的一種或幾種，反應(yīng)步驟2)產(chǎn)物的摩爾數(shù)與溶劑B的體積比為lmmol:5mL~15mL，反應(yīng)步驟2)產(chǎn)物與異丙醇頻哪醇硼酸酯的摩爾比為.1:8.0 ~9.0。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種有機(jī)太陽能電池材料的制備方法，其特征在于，步驟5)中的溶劑C為甲苯、氯仿、四氫呋喃THF中的一種或幾種，反應(yīng)步驟3)產(chǎn)物的摩爾數(shù)與溶劑B的體積比為lmmol:5mL~15mL,反應(yīng)步驟3)產(chǎn)物、步驟4)產(chǎn)物、K2CO3與Pd(pph3)4摩爾比為 I:3.0:25 ~35:0.1 ~0.5。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種有機(jī)太陽能電池材料的制備方法，其特征在于，步驟6)中的溶劑D為甲苯、氯仿、四氫呋喃THF中的一種或幾種，助劑為三乙胺或哌啶，反應(yīng)溫度為80~100°C，反應(yīng)時(shí)間為48~72h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有機(jī)太陽能電池材料的應(yīng)用，其特征是該材料該材料作為有機(jī)太陽能電池活性層、光捕獲或電子給體材料應(yīng)用于有機(jī)太陽能電池器件。
【文檔編號】C07D417/14GK103554100SQ201310494877
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月21日
【發(fā)明者】賴文勇, 黃維, 范曉春, 李祥春, 陳垚 申請人:南京郵電大學(xué)