CN114736232A - 一种双酯基并噻吩非稠环电子受体材料及制备方法和应用 - Google Patents
一种双酯基并噻吩非稠环电子受体材料及制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
一种双酯基并噻吩非稠环电子受体材料及制备方法和应用。所述非稠环电子受体分子的结构式如式所示：
Description
技术领域
本发明属于有机太阳能电池材料制备技术领域。涉及一种有机太阳能电池活性层电子受体材料及其制备方法和在有机太阳能电池中的应用。
背景技术
近年来，本体异质结有机太阳能电池发展迅速，其器件性能主要取决于活性层，活性层包括电子给体和受体材料，其中非富勒烯受体是最具有商业化应用潜力的材料，代表性的明星受体分子包括IT-4F和Y6。目前，通过活性层材料分子的不断设计合成和器件工艺优化，非富勒烯有机太阳能电池的能量转换效率已经突破18％(Nat.Energy2021,6,605-613)。
然而，目前应用的稠环非富勒烯受体分子合成路线较为复杂，使其总收率较低、合成成本较高。因此，为了未来更好的实现商业化应用，非富勒受体分子的设计应该在保留大稠环受体优点的基础上，对其共轭体系进行修改以此来构筑新型受体，并简化合成路线。利用分子内非共价相互作用来替代大稠环受体中的共价键构筑步骤，可满足以上的受体分子设计要求。双酯基并噻吩单元广泛应用于构筑活性层材料(Adv.Energy Mater.2018,8,1801214；Macromol.Rapid Commun.2020,41,2000454；Chem.Commun.2021,57,9132；ACSAppl.Mater.Interfaces 2021,13,23993)，通过酯基中的氧与相邻单元的硫构筑O···S非共价相互作用来保证受体分子具有良好的平面性，形成非共价键构象锁，提升分子骨架的刚性，使其能有序堆积，形成高效的分子间电荷传输。此外，该设计可有效简化合成步骤并节约合成成本。因此，设计合成基于双酯基并噻吩单元的非稠环电子受体小分子对于未来实现商业化具有重要的意义。
发明内容
针对现有有机太阳能电池中稠环电子受体材料存在合成路线繁琐以及成本高等问题，本发明的第一个目的是在于提供一种成膜性好，能量转换效率较高的双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料。
本发明的第二个目的是在于提供一种条件温和、纯化简单的制备双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的方法。
本发明的第三个目的是在于提供双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的应用，双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料与给体材料形成互补的吸收，且与给体材料具有更加匹配的能级和高而平衡的载流子迁移率，可以用于制备高短路电流和能量转换效率的有机太阳能电池。
本发明所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料，其具有式1结构：
其中，R1为C1-C20的直链或支链烷基；
Ar1和Ar2各自独立选自以下基团中任意一种：(虚线处为连接位置)
其中，R2为氢原子、C1～C20的烷基、C1～C20的烷氧基、羰基、酯基、苯基、取代苯基、噻吩基或取代噻吩基；R3为C1～C20的烷基、C1～C20的烷氧基、羰基、酯基、苯基、取代苯基、噻吩基或取代噻吩基。
EG为以下基团中任意一种：(虚线处为连接位置)
其中，R4为氢原子、卤素取代基(卤素为氟、氯、溴或碘)、C1～C20的烷基、烷氧基、羰基、酯基或氰基。
本发明的双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料包括双酯基并噻吩中心核、共轭连接单元与吸电子端基，双酯基并噻吩中心核和共轭连接单元为非稠环结构，吸电子端基连接在非稠环结构的两端。
本发明的双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料使用双酯基并噻吩中心核单元，并且在双酯基并噻吩中心单元上进行以下结构设计：(1)使用酯基并噻吩和共轭连接单元形成非共价键相连，通过非共价键形成构象锁，改善非稠环结构的共平面性和刚性，提高电荷迁移率；(2)在酯基并噻吩和共轭连接单元上引入烷基链还可以进一步改善材料溶解性能和加工性能；(3)引入不同共轭连接单元可以有效调整材料的能级，并有效拓宽吸收。
本发明双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料具有良好的溶解性，易于加工成膜，具有较强的可见光-近红外吸收特性及较高的电荷迁移率(≥10-4cm2·V-1·s-1)，能用于制备高短路电流和能量转换效率的有机太阳能电池材料，是一类富有应用潜力的受体材料。本发明的双酯基并噻吩基非稠环小分子受体材料与富勒烯基受体材料相比，它的能级较易调节，有更好的平面性和刚性，具有良好的成膜性，具有较高的能量转换效率。本发明的双酯基并噻吩基非稠环非电子受体材料与稠环电子受体材料相比，合成条件温和、提纯简单、价格低廉，有利于实现大规模商业化应用。
本发明所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和卤代烷烃通过酯交换反应和酯化反应得到化合物A：
所述卤代烷烃为R1X；
其中，R1为C1～C20的直链或支链烷基；X为卤素；
2)将化合物A和化合物B通过Stille偶联反应得到化合物C：
3)化合物C进行Vilsmeier-Haack反应后得到化合物D：
4)化合物D和EG酮通过Knoevenagel反应，即得；
所述EG酮为以下基团中任意一种：(虚线处为连接位置)
其中，R4为氢原子、卤素取代基(卤素为氟、氯、溴或碘)、C1～C20的烷基、烷氧基、羰基、酯基或氰基。
优选的方案，所述酯交换反应的条件为：溶剂为四氢呋喃和水，盐酸作为中和剂，2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和氢氧化钠的摩尔比为1:10；在65～75℃温度下回流12～16小时。
优选的方案，所述酯化反应的条件为：溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，碳酸钾为碱性调整剂，2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸和卤化烷烃的摩尔比为1:2～4，在80-90℃温度下反应10～16小时。
优选的方案，所述Stille偶联反应的条件为：溶剂为四氢呋喃，催化剂为四(三苯基膦)钯，催化剂的加入量为化合物A摩尔量的2％～10％，化合物A和化合物B的摩尔比为1:2.5～3，在110℃温度下回流24～36小时。
优选的方案，所述Vilsmeier-Haack反应的条件为：溶剂为1,2-二氯乙烷和N,N-二甲基甲酰胺，三氯氧磷为甲酰化试剂，化合物C和三氯氧磷的摩尔比为1:15～25，在80～100℃温度下回流反应8～12小时。
优选的方案，所述Knoevenagel反应的条件为：氯仿为溶剂，吡啶为缚酸剂，化合物D和EG酮的摩尔比为1:5～12，在60～70℃温度下回流反应12～16小时。
本发明所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的应用，是将其作为有机太阳能电池活性层电子受体材料应用。
优选的方案，将双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料与电子给体材料制成活性层用于有机太阳能电池器件。活性层的具体制备过程为：将双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料与电子给体材料混合，加入适当的溶剂，使混合物溶解即可，旋涂在导电ITO玻璃上制备出薄膜，在薄膜上蒸镀金属电极做成有机太阳能电池器件。溶剂一般采用氯苯、三氯甲烷以及邻二氯苯中至少一种。双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料可以溶于常规的有机溶剂，具有较好的加工性能。
优选的方案，双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料与电子给体材料的摩尔比为1～1.5:1。
优选的方案，所述电子给体材料为PM6、PBDB-T、PCE10、J52或其他有机电子给体材料中至少一种。
本发明的双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的具体合成路线及步骤表示如下：
1)将2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和氢氧化钠进行酯交换反应，再与卤代烷烃进行酯化反应，得到化合物A：酯交换反应：溶剂为四氢呋喃和水，盐酸作为中和剂，2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和氢氧化钠的摩尔比为1:10；在65～75℃温度下回流12～16小时；酯化反应：溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，碳酸钾为碱性调整剂，2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸和卤化烷烃的摩尔比为1:2～4，在80-90℃温度下反应10～16小时；
2)将化合物A和化合物B通过Stille偶联反应得到化合物C：优选的方案，所述Stille偶联反应的条件为：溶剂为四氢呋喃，催化剂为四(三苯基膦)钯，催化剂的加入量为化合物A摩尔量的2％～10％，化合物A和化合物B的摩尔比为1:2.5～3，在110℃温度下回流24～36小时；
3)化合物C进行Vilsmeier-Haack反应得到后化合物D：优选的方案，所述Vilsmeier-Haack反应的条件为：溶剂为1,2-二氯乙烷和N,N-二甲基甲酰胺，三氯氧磷为甲酰化试剂，化合物C和三氯氧磷的摩尔比为1:15～25，在80～100℃温度下回流反应8～12小时；
4)化合物D和EG酮通过Knoevenagel反应得到式1所示结构化合物：以氯仿为溶剂，吡啶为缚酸剂，提供碱性环境，化合物D和EG酮的摩尔比为1:5～12，在60～70℃温度下回流反应12～16小时。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
本发明的双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料具有特殊的分子结构，其主体包括双酯基并噻吩中心核单元，共轭连接单元和吸电子端基，双酯基并噻吩中心核和共轭连接单元为非稠环结构，吸电子端基连接在非稠环结构的两端，同时烷基侧链和烷氧侧链将进一步修饰。双酯基并噻吩中心单元上使用酯基使并噻吩和共轭连接单元形成非共价键相连，通过非共价键形成构象锁，改善非稠环结构的共平面性和刚性，提高电荷迁移率；同时，在酯基并噻吩和共轭连接单元上引入简单的烷基链还可以进一步改善材料溶解性能，提高加工性能；在双酯基并噻吩中心核单元的两边引入不同共轭连接单元可以有效调整材料的能级，并有效拓宽吸收。
本发明双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料具有良好的溶解性，易于加工成膜，具有较强的可见近红外吸光系性能及较高的电荷迁移率，能用于制备高短路电流和能量转换效率的太阳能电池材料，是一类富有潜力的小分子受体材料。
本发明的双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料与之前的富勒烯及其衍生物材料相比，它可以调控能级，有更好的平面性和刚性，具有很好的成膜性，具有较高的能量转换效率。
本发明的双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料合成条件温和、提纯简单、价格低廉，有利于实现大规模商业化应用。
附图说明
图1为实施例1制备得到的受体材料2T2CSi-4F的核磁图。
图2为实施例1制备得到的受体材料2T2CSi-4F的飞行离子质谱图。
图3为实施例1制备得到的受体材料2T2CSi-4F在氯仿溶液中(Sol)和薄膜状态(Film)下的紫外可见吸收谱图，横坐标为Wavelength(波长)，纵坐标为Normalized Abs(归一化吸收)。
图4为实施例1制备得到的受体材料2T2CSi-4F的循环伏安曲线图，横坐标为Potential(电压)，纵坐标为Current(电流)。
图5为实施例1制备有机太阳能电池的电流-电压(Current Density-Voltage)曲线图。
图6为实施例1制备得到的受体材料2T2CSi-4F的外量子效率，曲线图，横坐标为Wavelength(波长)，纵坐标为EQE(外量子效率)。
图7为实施例2制备得到的受体材料4T2CSi-4F的核磁图。
图8为实施例2制备得到的受体材料4T2CSi-4F的飞行离子质谱图。
图9为实施例2制备得到的受体材料4T2CSi-4F在氯仿溶液中(Sol)和薄膜状态(Film)下的紫外可见吸收谱图，横坐标为Wavelength(波长)，纵坐标为Normalized Abs(归一化吸收)。
图10为实施例2制备得到的受体材料4T2CSi-4F的循环伏安曲线图，横坐标为Potential(电压)，纵坐标为Current(电流)。
图11为实施例2制备有机太阳能电池的电流-电压(Current Density-Voltage)曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实验方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1。
上述所述的R1为
Ar为
R2为氢原子，R3为
EG为
时，受体材料的制备如下：
(1)将2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和氢氧化钠进行酯交换反应得到化合物2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸：
化合物2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸的合成：将2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯(0.5g,1.13mmol)溶解在具有20mL四氢呋喃的100mL圆底烧瓶中。然后，将氢氧化钠溶液(12mL，1mol/L)逐滴加入烧瓶中并加热回流。搅拌12小时后，通过旋转蒸发仪除去四氢呋喃，此时水是烧瓶中唯一的溶剂。在烧瓶中逐滴加入盐酸溶液(6mL，5mol/L)，直至反应溶液的PH为1-2。搅拌6小时后，反应液变为白色悬浊液，过滤得粗产物，粗产物用大量水洗涤以确保没有钠盐残留，随后将粗产物干燥，再用氯仿洗涤直至洗涤液几乎无色，最后真空干燥得到白色固体2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸(0.422g,产率96.6％)。
(2)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸与7-(溴甲基)十五烷通过酯化反应得到双(2-己基癸基)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸酯：
双(2-己基癸基)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸酯的合成：在100mL圆底烧瓶中加入2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸(0.422g,1.09mmol)、7-(溴甲基)十五烷(1.001g,3.28mmol)和碳酸钾(0.906g,6.56mmol)，随后加入15mL N,N-二甲基甲酰胺，在80℃下反应10小时。反应完后将反应溶液倒入100mL的盐酸溶液(1mol/L)中以除去碳酸钾，用二氯甲烷萃取后，合并有机相，用无水硫酸钠干燥并旋转蒸出有机溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:6)，得到无色液体双(2-己基癸基)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸酯(0.745g，产率81.6％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm)δ4.30(d,J＝5.5Hz,4H),1.66(s,2H),1.39-1.21(m,48H),0.86(t,J＝3.6Hz,12H).
(3)将双(2-己基癸基)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸酯和4,4-双(2-乙基己基)-2-(三甲基甲锡烷基)-4H-硅[3,2-b:4,5-b']二噻吩通过Stille偶联反应得到化合物2T2CSi：
化合物2T2CSi的合成：在氮气保护下，在50mL的双颈烧瓶中加入双(2-己基癸基)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸酯(141mg,0.169mmol)、4,4-双(2-乙基己基)-2-(三甲基甲锡烷基)-4H-硅[3,2-b:4,5-b']二噻吩(294.8mg,0.507mmol)和Pd(PPh3)4(20mg,0.0172mmol)，抽换氮气三次，加入无水无氧的甲苯(5mL)。氮气保护下110℃反应26小时，反应完后冷却至室温，然后倒入水中，用二氯甲烷萃取后，合并有机相，用无水硫酸钠干燥并旋转蒸出有机溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:5)，得到红色液体2T2CSi(148.1mg，产率58％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ7.58(s,2H),7.25(d,J＝4.5Hz,2H),7.07(d,J＝4.7Hz,2H),4.29(d,J＝6.2Hz,4H),1.83(s,2H),1.45(s,4H),1.39-1.21(m,80H),0.86(t,J＝3.6Hz,36H),0.80-0.75(m,8H).
(4)化合物2T2CSi进行Vilsmeier-Haack反应得到化合物2T2CSi-CHO：
化合物2T2CSi-CHO的合成：在氮气保护下，在50mL的双颈烧瓶中加入2T2CSi(148.1mg,0.098mmol)和1,2-二氯乙烷(10mL)，冷却到0℃，向该溶液中缓慢滴加无水N,N-二甲基甲酰胺(1mL)和三氯氧磷(1.2mL)，加完后在0℃下搅拌30分钟，随后将反应加热至85℃并搅拌过夜。反应完后将混合物倒入水(50mL)中以淬灭反应，用二氯甲烷萃取后，合并有机相，用无水硫酸钠干燥并旋转蒸出有机溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:1)，得到红色液体2T2CSi-CHO(130mg，产率84.6％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ9.90(s,2H),7.72(s,2H),7.62(s,2H),4.30(d,J＝6.2Hz,4H),1.83(s,2H),1.45(s,4H),1.39-1.21(m,80H),0.86(t,J＝3.6Hz,36H),0.80-0.75(m,8H).
(5)化合物2T2CSi-CHO和5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)靛酮通过Knoevenagel反应得到2T2CSi-4F受体材料：
2T2CSi-4F受体材料的合成：在50mL的双颈烧瓶中加入2T2CSi-CHO(130mg,0.089mmol)、5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)靛酮(205.7mg,0.89mmol)、氯仿(15mL)和吡啶(0.1mL)，60℃反应过夜。反应完后冷却至室温，旋转蒸发除去溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:1)，得到深棕色固体4T2CSi-4F(155.6mg，产率87.5％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ8.94(s,2H),8.57-8.49(m,2H),7.82(s,2H),7.71(s,2H),7.71-7.65(m,2H)，4.34(d,J＝6.2Hz,4H),1.83(s,2H),1.45(s,4H),1.39-1.21(m,80H),0.86(t,J＝3.6Hz,36H),0.80-0.75(m,8H).
器件制备及光伏性能：
器件制备：
化合物PBDB-T的结构式为：
用PBDB-T为给体材料，2T2CSi-4F为受体材料，将给受体材料按照不同的比例进行称量，选择氯苯作为溶剂。根据需要添加不同的添加剂，待搅拌均匀后将匀胶机调节不同的转速进行旋涂，之后将片子分类选取不同的温度在热台上进行热退火处理或溶剂退火以调节共混膜的结晶性，然后旋涂一层电子传输层PDNIO，最后将金属银电极蒸镀到薄膜表面，从而完成器件的制备。
光伏性能：
采用商业化的PBDB-T为给体材料，2T2CSi-4F为受体材料，按照ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T:2T2CSi-4F/PDINO/Ag制作成的太阳能电池的性能。表1和表2列出了太阳能电池的活性层中PBDB-T和2T2CSi-4F在不同比例、添加剂和退火温度下电池所表现出来的性能参数。
表1
表2
实施例2。
上述所述的R1为
Ar1为
Ar2为
R2为氢原子，R3为
EG为
时，受体材料的制备如下：
(1)将2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和氢氧化钠进行酯交换反应得到化合物2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸：
参照实施例1中的步骤(1)。
(2)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸与7-(溴甲基)十五烷通过酯化反应得到双(2-己基癸基)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸酯：
参照实施例1中的步骤(2)。
(3)将双(2-己基癸基)2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸酯和三丁基(噻吩并[3,2-b]噻吩-2-基)锡烷通过Stille偶联反应得到化合物双(2-己基癸基)5-溴-[2,2'-二噻吩并[3,2-b]噻吩]-3,6-二羧酸酯：
双(2-己基癸基)5-溴-[2,2'-二噻吩并[3,2-b]噻吩]-3,6-二羧酸酯的合成：在氮气保护下，在50mL的双颈烧瓶中加入双(2-己基癸基)5-溴-[2,2'-二噻吩并[3,2-b]噻吩]-3,6-二羧酸酯(208.7mg,0.25mmol)、三丁基(噻吩并[3,2-b]噻吩-2-基)锡烷(107.3mg,0.25mmol)和Pd(PPh3)4(10mg,0.0086mmol)，抽换氮气三次，加入无水无氧的甲苯(10mL)。氮气保护下110℃反应16小时，反应完后冷却至室温，然后倒入水中，用二氯甲烷萃取后，合并有机相，用无水硫酸钠干燥并旋转蒸出有机溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:5)，得到黄色液体双(2-己基癸基)5-溴-[2,2'-二噻吩并[3,2-b]噻吩]-3,6-二羧酸酯(105mg，产率47％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ7.78(s,1H),7.44(d,J＝5.2Hz,1H),7.27(d,J＝4.6Hz,1H),4.24(d,J＝5.3Hz,2H),4.17(d,J＝5.4Hz,2H),1.66(s,2H),1.39-1.21(m,48H),0.86(t,J＝3.6Hz,12H).
(4)将双(2-己基癸基)5-溴-[2,2'-二噻吩并[3,2-b]噻吩]-3,6-二羧酸酯和4,4-双(2-乙基己基)-2-(三甲基甲锡烷基)-4H-硅[3,2-b:4,5-b']二噻吩通过Stille偶联反应得到化合物4T2CSi：
4T2CSi的合成：在氮气保护下，在50mL的双颈烧瓶中加入向双(2-己基癸基)5-溴-[2,2'-二噻吩并[3,2-b]噻吩]-3,6-二羧酸酯(100mg,0.111mmol)、4,4-双(2-乙基己基)-2-(三甲基甲锡烷基)-4H-硅[3,2-b:4,5-b']二噻吩(97.5mg,0.1665mmol)和Pd(PPh3)4(20mg,0.0172mmol)，抽换氮气三次，加入无水无氧的甲苯(5mL)。氮气保护下110℃反应24小时，反应完后冷却至室温，然后倒入水中，用二氯甲烷萃取后，合并有机相，用无水硫酸钠干燥并旋转蒸出有机溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:5)，得到橙色液体4T2CSi(110mg，产率79.8％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ7.78(s,1H),7.61(s,1H),7.45(d,J＝5.2Hz,1H),7.27(d,J＝4.6Hz,1H),7.07(d,J＝4.7Hz,1H),4.29(d,J＝5.8Hz,2H),4.26(d,J＝5.6Hz,2H),1.82(s,2H),1.74(s,2H),1.39-1.21(m,64H),0.86(t,J＝3.6Hz,24H),0.80-0.75(m,4H).
(5)化合物4T2CSi进行Vilsmeier-Haack反应得到化合物4T2CSi-CHO：
化合物4T2CSi-CHO的合成：在氮气保护下，在50mL的双颈烧瓶中加入4T2CSi(145.1mg,0.118mmol)和1,2-二氯乙烷(10mL)，冷却到0℃，向该溶液中缓慢滴加无水N,N-二甲基甲酰胺(1mL)和三氯氧磷(1.2mL)，加完后在0℃下搅拌30分钟，随后将反应加热至85℃并搅拌过夜。反应完后将混合物倒入水(50mL)中以淬灭反应，用二氯甲烷萃取后，合并有机相，用无水硫酸钠干燥并旋转蒸出有机溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:1)，得到红色液体4T2CSi-CHO(120.2mg，产率79.2％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ10.00(s,1H),9.90(s,1H),7.93(s,1H),7.83(s,1H),7.72(s,1H),7.66(s,1H),4.31(d,J＝5.8Hz,2H),4.28(d,J＝5.6Hz,2H),1.82(s,2H),1.74(s,2H),1.39-1.21(m,64H),0.86(t,J＝3.6Hz,24H),0.80-0.75(m,4H).
(6)化合物4T2CSi-CHO和5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)靛酮通过Knoevenagel反应得到4T2CSi-4F受体材料：
化合物4T2CSi-4F的合成：在50mL的双颈烧瓶中加入4T2CSi-CHO(120.2mg,0.093mmol)、5,6-二氟-3-(二氰基亚甲基)靛酮(214.7mg,0.93mmol)、氯仿(15mL)和吡啶(0.1mL)，60℃反应过夜。反应完后冷却至室温，旋转蒸发除去溶剂，混合物用硅胶柱层析纯化(二氯甲烷/正己烷＝1:1)，得到深棕色固体2T2CSi-4F(128.9mg，产率80.6％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,ppm):δ8.92(s,1H),8.89(s,1H),8.55-8.45(m,2H),8.06(s,1H),7.93(s,1H),7.82(s,1H),7.75(s,1H),7.69-7.65(m,2H)，4.31(d,J＝5.8Hz,2H),4.28(d,J＝5.6Hz,2H),1.82(s,2H),1.74(s,2H),1.39-1.21(m,64H),0.86(t,J＝3.6Hz,24H),0.80-0.75(m,4H).
器件制备及光伏性能：
器件制备：
化合物PBDB-T的结构式为
用PBDB-T为给体材料，4T2CSi-4F为受体材料，将给受体材料按照不同的比例进行称量，选择氯苯作为溶剂。根据需要添加不同的添加剂，待搅拌均匀后将匀胶机调节不同的转速进行旋涂，之后将片子分类选取不同的温度在热台上进行热退火处理或溶剂退火以调节共混膜的结晶性，然后旋涂一层电子传输层PDNIO，最后将金属银电极蒸镀到薄膜表面，从而完成器件的制备。
光伏性能：
采用商业化的PBDB-T为给体材料，4T2CSi-4F为受体材料，按照ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T:4T2CSi-4F/PDINO/Ag制作成的太阳能电池的性能。表3列出了太阳能电池的活性层中PBDB-T和4T2CSi-4F在有机太阳能电池中所表现出来的性能参数。
表3
Claims (7)
1.一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料，其特征是具有式1结构：
其中，R1为C1-C20的直链或支链烷基；
Ar1和Ar2各自独立选自以下基团中任意一种：
其中，R2为氢原子、C1～C20的烷基、C1～C20的烷氧基、羰基、酯基、苯基、取代苯基、噻吩基或取代噻吩基；R3为C1～C20的烷基、C1～C20的烷氧基、羰基、酯基、苯基、取代苯基、噻吩基或取代噻吩基；
EG为以下基团中任意一种：
其中，R4为氢原子、卤素取代基，其中卤素为氟、氯、溴或碘、C1～C20的烷基、烷氧基、羰基、酯基或氰基。
2.权利要求1所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1)将2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和卤代烷烃通过酯交换反应和酯化反应得到化合物A：
所述卤代烷烃为R1X；
其中，R1为C1～C20的直链或支链烷基；X为卤素；
2)将化合物A和化合物B通过Stille偶联反应得到化合物C：
3)化合物C进行Vilsmeier-Haack反应后得到化合物D：
4)化合物D和EG酮通过Knoevenagel反应，即得；
所述EG酮为以下基团中任意一种：
其中，R4为氢原子、卤素取代基，其中卤素为氟、氯、溴或碘、C1～C20的烷基、烷氧基、羰基、酯基或氰基。
3.根据权利要求2所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的制备方法，其特征是：
所述酯交换反应的条件为：溶剂为四氢呋喃和水，盐酸作为中和剂，2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸二乙酯和氢氧化钠的摩尔比为1:10；在65～75℃温度下回流12～16小时；
所述酯化反应的条件为：溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，碳酸钾为碱性调整剂，2,5-二溴噻吩[3,2-b]噻吩-3,6-二羧酸和卤化烷烃的摩尔比为1:2～4，在80-90℃温度下反应10～16小时；
所述Stille偶联反应的条件为：溶剂为四氢呋喃，催化剂为四(三苯基膦)钯，催化剂的加入量为化合物A摩尔量的2％～10％，化合物A和化合物B的摩尔比为1:2.5～3，在110℃温度下回流24～36小时；
所述Vilsmeier-Haack反应的条件为：溶剂为1,2-二氯乙烷和N,N-二甲基甲酰胺，三氯氧磷为甲酰化试剂，化合物C和三氯氧磷的摩尔比为1:15～25，在80～100℃温度下回流反应8～12小时；
所述Knoevenagel反应的条件为：氯仿为溶剂，吡啶为缚酸剂，化合物D和EG酮的摩尔比为1:5～12，在60～70℃温度下回流反应12～16小时。
4.权利要求1所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的应用，其特征是将其作为有机太阳能电池活性层电子受体材料应用。
5.根据权利要求4所述的所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的应用，其特征是将双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料与电子给体材料制成活性层用于有机太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的应用，其特征是双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料与电子给体材料的摩尔比为1～1.5:1。
7.根据权利要求5所述的所述的一种双酯基并噻吩基非稠环电子受体材料的应用，其特征是所述电子给体材料为PM6、PBDB-T、PCE10、J52或他有机电子给体材料中至少一种。
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| WO2018032945A1 (zh) * | 2016-08-17 | 2018-02-22 | 国家纳米科学中心 | 一种含有并噻吩（并硒吩）修饰的光电化合物及其制备方法和用途 |
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