一种氟代苝酰亚胺衍生物及其应用的制作五分时时彩方法

文档序号:12706901

本发明涉及有机半导体技术领域,具体涉及一种氟代苝酰亚胺衍生物及其在有机太阳能电池中的应用。



背景技术:

能源问题是全球亟待解决的问题,人们一直在尝试如何高效利用清洁而又丰富的太阳能资源。目前基于单晶硅等无机物的太阳能电池已经实现商业化,但无机太阳能电池存在能量偿还时间长、不适宜制备柔性设备等缺点,人们逐渐将目光投向有机太阳能电池。有机太阳能电池具有质轻价廉、可制备大面积器件等优点。作为一种典型的有机电子传输材料,苝酰亚胺及其衍生物具有大的共轭结构、较高的电子迁移率、良好的光化学稳定性等优点。相较于传统的富勒烯材料,苝酰亚胺及其衍生物易于化学修饰,因此易于调节其能级、光谱以及在薄膜中的聚集行为,并且成本较低、易于制备和提纯。综上所述,将苝酰亚胺及其衍生物应用于太阳能电池的电子受体有很大的潜力。



技术实现要素:

本发明的目的之一在于提供一种氟代苝酰亚胺衍生物,该衍生物具有以下结构:

其中取代基Ar代表芳环基团,其取代位置为苝酰亚胺单元的海湾区,氟原子取代位置为苝酰亚胺单元的海湾区,X为氢原子或氟原子,取代基R为烷基链,n的取值为1-4之间的整数。

按照上述方案,所述Ar基团为苯环基、噻吩基、螺二芴基、联苯基、苯并二噻吩基、三苯胺基、四苯乙烯基、三嗪基中的一种。

按照上述方案,取代基R为C5-C30的烷基链,其结构式为CmH2m+1,m取5-30之间的整数。

优选的,所述Ar基团为螺二芴基团,所述烷基链R为异辛基,n=4,X为氢原子,该氟代苝酰亚胺衍生物的结构如下:

优选的,所述Ar基团为四苯乙烯基,所述烷基链R为异辛基,n=4,X为氢原子,该氟代苝酰亚胺衍生物的结构如下:

优选的,所述Ar基团为三苯胺基,所述烷基链R为异辛基,n=3,X为氢原子,该氟代苝酰亚胺衍生物的结构如下:

上述氟代苝酰亚胺衍生物作为有机太阳能电池受体材料的应用。

与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:相较于其他苝酰亚胺类受体分子,该受体分子引入了氟原子,有利于降低受体分子的重组能,从而提升其电荷迁移率;同时在H-F等非共价键作用下,氟原子的引入可以调节苝酰亚胺分子的堆积;此外,氟原子的引入可以调节该分子的能级,从而使其具有更大的电子亲和势,有利于其在活性层中接受电子。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果,以下结合具体实施例进行进一步说明。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式,对本发明并不构成任何限定,在此基础上所进行的任何同等变换及改进,均应落入本发明的保护范围之内。

本发明所述氟代苝酰亚胺衍生物的制备过程如下:

(a)在保护气氛下,将具有式(I)结构的化合物与氟化铯加入到二氧六环中,再加入十八-冠醚-6回流过夜反应(对应的三种反应原料的摩尔比1:20-40:1-2),经水洗、萃取、干燥后柱层析,得到具有式(II)结构的双氟代苝酰亚胺,

(b)在保护气氛下,将具有式(II)结构的双氟代苝酰亚胺与溴化锂(摩尔比1:1)一同加入到1-甲基-2-吡咯烷酮中,在200-250℃反应4-8h,用水淬灭反应,经水洗、萃取后合并有机相并旋干,最后进行柱层析分离后得具有式(III)结构的化合物,

(c)在保护气氛下,将具有式(IV)结构的接有硼酸酯的Ar单元与具有式(III)结构的化合物加入到四氢呋喃-水混合溶剂中(两反应物摩尔比1:1-5,混合溶剂中四氢呋喃与水的体积比2-4:1),再加入Pd(PPh3)4和碳酸钾(分别为式(III)化合物摩尔量的5-10%和5-15倍),在70-90℃反应2h,经水洗、萃取、干燥旋蒸、硅胶柱层析后得到具有式(V)结构的目标化合物,

其中,R为C5-C30的烷基链,Ar基团为螺二芴基、联苯基、苯并二噻吩基、三苯胺基、四苯乙烯基中的一种,n取1-4的整数。

实施例1

在氩气保护氛围下,将N,N’-二异辛基-1,7-二溴-苝二酰亚胺(1g,1.83mmol,1eq)与氟化铯(8.34g,54.93mmol,30eq)加入到15ml二氧六环中,再加入18-冠醚-6(968mg,3.66mmol,2eq),回流过夜反应,产物水洗后用二氯甲烷萃取三次,合并有机相,以无水硫酸钠干燥后旋蒸除去溶剂,以二氯甲烷为淋洗剂进行硅胶柱层析分离,得到N,N’-二异辛基-1,7-二氟-苝二酰亚胺。

在氩气保护氛围下,将N,N’-二异辛基-1,7-二氟-苝二酰亚胺(1g,2.36mmol,1eq)与溴化锂(205mg,2.36mmol,1eq)加入到20ml的1-甲基-2-吡咯烷酮中,在220℃下反应5h,然后用水淬灭反应,水洗反应物,接着用氯仿萃取三次,合并有机相用无水硫酸钠干燥,旋蒸除去溶剂,以石油醚:乙酸乙酯=2:1(V/V)为淋洗剂进行硅胶柱层析分离,得到N,N’-二异辛基-1-溴-7-氟-苝二酰亚胺。

在氩气保护氛围下,将接有四个硼酸酯的螺二芴单元(1g,1.22mmol,1eq)与N,N’-二异辛基-1-溴-7-氟-苝二酰亚胺(4.34g,6.10mmol,5eq)加入到四氢呋喃/水(20ml/5ml)混合溶剂中,再加入Pd(PPh3)4(54.5mg,0.061mmol,0.05eq)与碳酸钾(1.68g,12.2mmol,10eq),在80℃下反应2天,反应结束后水洗反应物,用二氯甲烷萃取三次,合并有机相,无水硫酸钠干燥有机相后,旋蒸除去溶剂,以二氯甲烷为淋洗剂进行硅胶柱层析得到目标产物化合物5a。

实施例2

在氩气保护氛围下,将接有四个硼酸酯的四苯乙烯单元(1g,1.2mmol,1eq)与N,N’-二异辛基-1-溴-7-氟-苝二酰亚胺(4.25g,5.98mmol,5eq)加入到四氢呋喃/水(20ml/5ml)混合溶剂中,再加入Pd(PPh3)4(53.4mg,0.060mmol,0.05eq)与碳酸钾(1.65g,12.0mmol,10eq),在80℃下反应2天,反应结束后水洗反应物,用二氯甲烷萃取三次,合并有机相,无水硫酸钠干燥有机相后,旋蒸除去溶剂,以二氯甲烷为淋洗剂进行硅胶柱层析得到目标产物化合物5b。

实施例3

在氩气保护氛围下,将接有三个硼酸酯的三苯胺单元(1g,1.6mmol,1eq)与N,N’-二异辛基-1-溴-7-氟-苝二酰亚胺(4.57g,6.42mmol,4eq)加入到四氢呋喃/水(20ml/5ml)混合溶剂中,再加入Pd(PPh3)4(71.7mg,0.080mmol,0.05eq)与碳酸钾(2.22g,16mmol,10eq),在80℃下反应2天,反应结束后水洗反应物,用二氯甲烷萃取三次,合并有机相,无水硫酸钠干燥有机相后,旋蒸除去溶剂,以二氯甲烷为淋洗剂进行硅胶柱层析得到目标产物化合物5c。

实施例4

以实施例1-3制备的化合物为受体材料制备有机太阳能电池器件。

用超纯水,丙酮,异丙醇依次清洗覆盖有氧化铟锡(ITO)的玻璃基底,接着用氧等离子体处理10分钟,然后将30nm厚的PEDOT:PSS旋涂在基底上,并于160℃下干燥20分钟。按照1:1的质量比分别将化合物5a-5b与P3HT溶于DCB中配成溶液旋涂在上面,然后在4×10-4Pa下依次将Ca和Al蒸镀在上面。基于每种化合物的器件各制备十个。最后于AM 1.5G下测试其J-V特性,结果如表1所示。

表1以化合物5a-5c为受体材料的体异质结有机太阳能电池器件在AM 1.5G、100mW·cm-2条件下的光伏参数

从表1可以看出,化合物5a-5c应用于电子受体材料时具有优良的光电转化效率,且具有较高的开路电压,说明其应用于有机太阳能电池的受体材料具有很大的潜力。

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