一种含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料及其制备方法和应用

本发明涉及半导体材料，尤其涉及一种含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、有机太阳能电池具有质轻价廉、可溶液制备和可制备柔性电子器件等优点，在建筑外墙光伏发电、柔性可穿戴设备、物联网等领域具有极大的应用潜力。得益于新型给受体材料的开发和器件工程的推进，现阶段有机太阳能电池的能量转换效率已经突破19％。作为影响活性层材料光电性能的关键因素，活性层材料结晶性的调控一直是活性层材料性能优化的重要方向。

2、近年来，基于聚合物给体材料和小分子非富勒烯受体材料的活性层体系表现优异，基于该体系的二元有机太阳能电池已经获得了超过18％的能量转换效率。然而，其较低的开路电压和短路电流密度成为限制其性能进一步提升的关键问题。通过向二元活性层体系引入第三组分，优化能级结构、构建具有互补能力的吸收光谱、调控活性层形貌，从而实现有机太阳能电池性能提升的三元电池设计策略成为解决这一问题的可靠手段。现阶段，大部分第三组分都是小分子非富勒烯受体，但是小分子受体的结构十分复杂、合成路线繁琐且成本很高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料及其制备方法和应用。本发明提供的含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料结构简单，作为第三组分应用于三元有机太阳能电池器件，可以明显提升器件性能，使其具有优异的光电转换效率。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料，具有式ⅰ所示结构：

4、

5、式ⅰ中，r为-c2h5或-c6h13，

6、r1为-f、

7、本发明提供了以上技术方案所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料的制备方法，包括以下步骤：

8、将三丁基(2,3-二氢噻吩并[3,4-b]-[1,4]二恶英-5-基)锡烷、化合物1、四三苯基膦钯和有机溶剂混合，进行stille偶联反应，得到化合物2；

9、将所述化合物2、n,n-二甲基甲酰胺、三氯氧磷和有机溶剂混合，进行vilsmeier-haack反应，得到化合物3；

10、将所述化合物3、绕丹宁类化合物、有机碱和有机溶剂混合，进行knoevenagel缩合反应，得到所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料；

11、所述化合物1、化合物2、化合物3和绕丹宁类化合物依次具有式ⅱ～式ⅴ所示结构：

12、

13、优选地，所述三丁基(2,3-二氢噻吩并[3,4-b]-[1,4]二恶英-5-基)锡烷和化合物1的摩尔当量比为2.5:1；所述四三苯基膦钯和化合物1的摩尔当量比为5～10:100。

14、优选地，所述stille偶联反应的温度为90～120℃，时间为12～24h；所述stille偶联反应在氮气气氛中进行。

15、优选地，所述化合物2与n,n-二甲基甲酰胺的摩尔当量比为1:10，所述化合物2与三氯氧磷的摩尔当量比为1:10。

16、优选地，所述vilsmeier-haack反应的温度为95℃，时间为10～18h。

17、优选地，所述化合物3与绕丹宁类化合物的摩尔当量比为1:5；所述有机碱包括哌啶和/吡啶，所述有机碱与化合物3的摩尔当量比为10～15:100。

18、优选地，所述knoevenagel缩合反应的温度为65℃，时间为12～24h。

19、本发明提供了以上技术方案所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料或以上技术方案所述制备方法制备得到的含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料在太阳能电池中的应用。

20、本发明提供了一种三元太阳能电池，包括光活性层，所述光活性层的材料包括给体、受体和第三组分，所述第三组分包括以上技术方案所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料或以上技术方案所述制备方法制备得到的含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料。

21、本发明提供了一种含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料，具有式ⅰ所示结构。本发明以二氟取代苯或二烷氧基取代苯和2,3-二氢噻吩并[3,4-b]-[1,4]二恶英(edot)为核心结构，通过有机合成，得到高结晶性的小分子给体材料。本发明提供的所述高结晶性小分子给体材料结构简单，作为第三组分应用于三元有机太阳能电池器件中，可以明显提升器件性能，实现远超原二元有机太阳能电池的光电转换效率。实施例结果表明，将本发明提供的所述高结晶性小分子给体材料应用于三元有机太阳能电池器件，调控掺入比例，可以实现19.3％的光电转换效率，并且在较大的掺入比例区间(0～50％)依然可以保持理想的光电转换效率。

22、本发明提供了以上技术方案所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料的制备方法，本发明提供的制备方法过程简便高效且重复性好，成本低、具有普适性，易于规模化生产。

技术特征：

1.一种含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料，具有式ⅰ所示结构：

2.权利要求1所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三丁基(2,3-二氢噻吩并[3,4-b]-[1,4]二恶英-5-基)锡烷和化合物1的摩尔当量比为2.5:1；所述四三苯基膦钯和化合物1的摩尔当量比为5～10:100。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述stille偶联反应的温度为90～120℃，时间为12～24h；所述stille偶联反应在氮气气氛中进行。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述化合物2与n,n-二甲基甲酰胺的摩尔当量比为1:10，所述化合物2与三氯氧磷的摩尔当量比为1:10。

6.根据权利要求2或5所述的制备方法，其特征在于，所述vilsmeier-haack反应的温度为95℃，时间为10～18h。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述化合物3与绕丹宁类化合物的摩尔当量比为1:5；所述有机碱包括哌啶和/吡啶，所述有机碱与化合物3的摩尔当量比为10～15:100。

8.根据权利要求2或7所述的制备方法，其特征在于，所述knoevenagel缩合反应的温度为65℃，时间为12～24h。

9.权利要求1所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料或权利要求2～8任意一项所述制备方法制备得到的含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料在太阳能电池中的应用。

10.一种三元太阳能电池，包括光活性层，所述光活性层的材料包括给体、受体和第三组分，其特征在于，所述第三组分包括权利要求1所述含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料或权利要求2～8任意一项所述制备方法制备得到的含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料。

技术总结
本发明提供了一种含多重非共价键作用的高结晶性小分子给体材料及其制备方法和应用，涉及半导体材料技术技术领域。本发明以二氟取代苯或二烷氧基取代苯和2,3‑二氢噻吩并[3,4‑B]‑[1,4]二恶英(EDOT)为核心结构，通过有机合成，得到高结晶性的小分子给体材料。所述高结晶性小分子给体材料结构简单，作为第三组分应用于三元有机太阳能电池器件中，可明显提升器件性能，实现远超原二元有机太阳能电池的光电转换效率。实施例结果表明，将所述高结晶性小分子给体材料应用于三元有机太阳能电池器件，调控掺入比例，可实现19.3％的光电转换效率，并且在较大的掺入比例区间(0～50％)依然可以保持理想的光电转换效率。

技术研发人员：谢谦,赵朝委,方洁,夏冬冬,张月凤,邓祥萌,汪佳丽,游胜勇,李韦伟
受保护的技术使用者：江西省科学院应用化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17