本發(fā)明屬于有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體涉及一種基于苯并雙噁唑的單體材料、寬帶隙的給體材料及制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、有機(jī)太陽(yáng)能電池(oscs)具有質(zhì)地輕、柔性、可溶劑化處理等優(yōu)點(diǎn)以及在半透明器件中的潛在應(yīng)用而引起廣泛關(guān)注，近年來(lái)，y系列非富勒烯受體快速發(fā)展，這類受體材料具有強(qiáng)近紅外的光吸收(nir，700～1000nm)，較窄的帶隙，可調(diào)的電子能級(jí)以及較高的電子遷移率，有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池取得了巨大突破，能量轉(zhuǎn)化效率(pce)已經(jīng)突破了20％，所以探究光吸收互補(bǔ)，電荷運(yùn)輸平衡，能級(jí)匹配，混溶性良好的高性能的寬帶隙聚合物給體(wbg)材料對(duì)于提升太陽(yáng)能電池的pce至關(guān)重要。雖然y系列非富勒烯受體的研究進(jìn)展迅速，但寬帶隙聚合物給體材料的進(jìn)展卻相對(duì)滯后。目前為止，僅少數(shù)的寬帶隙聚合物給體(pm6,d18,pbq6,pbtz-f,pbqx-f)能夠?qū)崿F(xiàn)高的pce(＞18％)。但目前構(gòu)筑高性能聚合物給體材料的關(guān)鍵吸電子單元，通常需要復(fù)雜冗長(zhǎng)的合成路線并且合成成本較高，不利于材料工業(yè)化。

2、因此，探究低成本的吸電子單元和高效的寬帶隙聚合物給體是實(shí)現(xiàn)更高的pce及商業(yè)化推進(jìn)的關(guān)鍵。

3、苯并[1,2-d:4,5-d']雙噁唑(bbo)是一種芳香雜環(huán)化合物，分子結(jié)構(gòu)以氮、氧原子為特征，具有中心對(duì)稱平面構(gòu)型，吸電子能力比較弱。據(jù)報(bào)道，bbo基有機(jī)材料具有良好的光致發(fā)光性能和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，適合于構(gòu)建高性能的寬帶隙聚合物給體材料。此外，由于氧原子的半徑較小，因此噁唑的尺寸較小，bbo基分子將具有較低的理論空間位阻，同時(shí)，氧原子和硫原子之間會(huì)形成共價(jià)鍵，這些特性有利于誘導(dǎo)分子有序堆積，從而進(jìn)一步提高器件的載流子遷移率。雖然bbo單元在有機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方面具有很大的潛力，但在psc領(lǐng)域還沒(méi)有得到很好地研究，在有機(jī)薄膜晶體管、有機(jī)發(fā)光二極管和有機(jī)光電探測(cè)器領(lǐng)域的報(bào)道也很少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、因此，本發(fā)明的目的是提供了一種基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料，該聚合物對(duì)近紅外波段光具有良好的吸收，最低未占有分子軌道(lumo)能級(jí)和最高占有分子軌道(homo)能級(jí)可調(diào)。當(dāng)作為給體材料應(yīng)用于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，而且該聚合物合成步驟簡(jiǎn)單和較低的成本。

2、本發(fā)明公開(kāi)了一種基于苯并雙噁唑的單體材料，所述基于苯并雙噁唑的單體材料具有如下結(jié)構(gòu)：

3、

4、其中，所述r選自烷基衍生物。

5、進(jìn)一步地，所述烷基衍生物上的所有碳原子未被取代，或一個(gè)或多個(gè)碳原子，被氧原子、氮原子、氨基、砜基、羰基、芳基、烯基、炔基、酯基、氰基、硝基的一個(gè)或多個(gè)取代；

6、所述烷基衍生物上的所有氫原子未被取代，或一個(gè)或多個(gè)氫原子，被鹵素、羥基、氨基、羧基、氰基、硝基、芳基、烯烴基、炔烴基的一個(gè)或多個(gè)取代。

7、進(jìn)一步地，所述r選自c1-c50的直鏈烷基或者c1-c50的支鏈烷基；

8、其中，c1-c50的直鏈烷基或者c1-c50的支鏈烷基上的所有碳原子未被取代，或一個(gè)或多個(gè)碳原子，被氧原子、氮原子、氨基、砜基、羰基、芳基、烯基、炔基、酯基、氰基、硝基的一個(gè)或多個(gè)取代；

9、或者，c1-c50的直鏈烷基或者c1-c50的支鏈烷基上的所有氫原子未被取代，或一個(gè)或多個(gè)氫原子，被鹵素、羥基、氨基、羧基、氰基、硝基、芳基、烯烴基、炔烴基的一個(gè)或多個(gè)取代。

10、本發(fā)明還提供了所述基于苯并雙噁唑的單體材料的制備方法，包括如下步驟：

11、l1、將鹵代對(duì)苯醌加入溶劑中，在加熱的條件下加入銨溶液，攪拌反應(yīng)，純化，得到化合物2；

12、l2、將化合物2加入乙醇溶液中，在惰性氣體的保護(hù)下，加熱，并加入還原劑，反應(yīng)，并純化，得到化合物3；

13、l3、在惰性氣體的保護(hù)下，將原甲酸三乙酯、催化劑和配體加入溶劑中，在加熱的條件下加入化合物3，進(jìn)行縮合環(huán)化反應(yīng)，純化，得到化合物4；

14、l4、在化合物4上接枝三丁基錫化的含有r基團(tuán)的噻吩單元，得到化合物6；

15、l5、將所述化合物6加入溶劑中，再加入鹵化試劑，反應(yīng)，并純化，得到基于苯并雙噁唑的單體材料。

16、進(jìn)一步地，步驟l1中，所述鹵代對(duì)苯醌中多個(gè)氫被鹵素取代；

17、所述鹵素選自氯、溴、碘元素的一種。

18、進(jìn)一步地，步驟l3中，所述催化劑為鈀催化劑，所述配體為膦配體。

19、進(jìn)一步地，步驟l5中，所述鹵化試劑為n-溴代琥珀酰亞胺。

20、本發(fā)明還提供了一種基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料，所述基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料具有如下結(jié)構(gòu)：

21、

22、其中，n為大于1的自然數(shù)；

23、所述d單元為給電子基團(tuán)；

24、所述r選自烷基衍生物。

25、具體地，由于r的高度可調(diào)，使得所述基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料在有機(jī)溶劑中的溶解性可通過(guò)改變烷基鏈長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)控。

26、進(jìn)一步地，所述d單元選自如下結(jié)構(gòu)的一種或多種：

27、

28、其中，所述x選自氫原子或鹵素原子；

29、所述r1選自烷基衍生物；

30、所述烷基衍生物上的所有碳原子未被取代，或一個(gè)或多個(gè)碳原子，被氧原子、氮原子、氨基、砜基、羰基、芳基、烯基、炔基、酯基、氰基、硝基的一個(gè)或多個(gè)取代；

31、所述烷基衍生物上的所有氫原子未被取代，或一個(gè)或多個(gè)氫原子，被鹵素、羥基、氨基、羧基、氰基、硝基、芳基、烯烴基、炔烴基的一個(gè)或多個(gè)取代。

32、本發(fā)明還提供了所述基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料的制備方法，包括如下步驟：

33、將基于苯并雙噁唑的單體材料、雙(三甲基錫)端基化合物和催化劑加入溶劑中，在惰性氣體的保護(hù)下，加熱反應(yīng)，并純化，得到所述基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料。

34、進(jìn)一步地，所述加熱反應(yīng)的條件為先在70-80℃反應(yīng)34-38h，再升溫至90-110℃反應(yīng)34-38h。

35、本發(fā)明還提供了所述的基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料在有機(jī)太陽(yáng)電池中的應(yīng)用。

36、所述有機(jī)太陽(yáng)能電池從下到上包括如下結(jié)構(gòu)：基板、陰極、陰極界面層、光伏活性層、陽(yáng)極界面層、陽(yáng)極；

37、其中，所述光伏活性層的材料為所述基于苯并雙噁唑的寬帶隙的給體材料。

38、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

39、本發(fā)明通過(guò)合成含有苯并雙噁二唑的中間體，再與三丁基錫化的含有r基團(tuán)的噻吩單元反應(yīng)，得到基于苯并雙噁唑的單體材料，再與雙(三甲基錫)端基化合物通過(guò)d-a共聚形成共軛聚合物的寬帶隙的給體材料，該寬帶隙的給體材料對(duì)近紅外波段光具有良好的吸收，最低未占有分子軌道(lumo)能級(jí)和最高占有分子軌道(homo)能級(jí)可調(diào)，具有更深的homo能級(jí)和更好的光學(xué)帶隙；而且該聚合物具有中心對(duì)稱平面構(gòu)型和較低的理論空間位阻，有利于誘導(dǎo)分子的有序堆積，具有良好的光致發(fā)光性能；該聚合物合成步驟簡(jiǎn)單，合成無(wú)需通過(guò)色譜柱層析純化，原料成本低廉；另外，當(dāng)將此聚合物作為有機(jī)聚合物太陽(yáng)能電池的活性層給體材料，并與特定的受體材料共同使用，可以提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率，具有良好的光電性質(zhì)。