化合物雙環(huán)戊烷并[cd,lm]苝-1,2,7,8-四酮及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光伏電池受體材料，具體涉及一種化合物雙環(huán)戊烷并[Cd,Im] 茈-1，2, 7,8-四酮及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 有機(jī)光伏電池的發(fā)展需要高性能的電子給體（Donor)和電子受體（Acceptor)材 料。當(dāng)前的電子受體材料主要集中于C60衍生物和C70衍生物。其中使用最廣泛的受體化 合物是加州大學(xué)圣芭芭拉分校的Wudl研宄組設(shè)計(jì)合成的C60衍生物PCBM([6, 6]-phenyl C61_butyricacidmethylester)，和中科院化學(xué)所李永舫教授等設(shè)計(jì)合成的ICBA (Indene_C60orC70bisadduct)電子受體材料。這些電子受體材料LUMO能級(jí)太低，導(dǎo)致 光伏電池開路電壓較低。為了克服該缺點(diǎn)，許多小分子非富勒稀電子受體化合物被合成，經(jīng) 過多年發(fā)展，使用非富勒烯光伏電池的光電轉(zhuǎn)化率已經(jīng)得到很大提高，成為具有前景的研 宄領(lǐng)域。這些受體化合物主要是平面共軛分子，有利于聚集成規(guī)則形狀，形成受體材料相。 便于接受電子和傳遞到電極表面。
[0003] 作為一個(gè)實(shí)用的光伏電池材料必須具備易合成，性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉的特 點(diǎn)。因此，一些跨國公司經(jīng)過多年的研宄探索，逐漸把電子給體材料鎖定在P3HT (poly(3-hexylthiophene))和TBP(Tetrabenzylporphrine)上。與P3HT相匹配的電子受 體材料是C60或C70衍生物；而理論上與TBP相匹配的電子受體材料應(yīng)該是平面大共軛分 子。目前，跨國公司（例如：日本三菱公司）已經(jīng)通過工藝優(yōu)化等途徑，將使用P3HT和PCBM 制作的光伏電池的光電轉(zhuǎn)換率提高到大于8 %的水平，申請(qǐng)了上百個(gè)專利。使用TBP和平 面共軛分子制作的光伏電池的光電轉(zhuǎn)換率也在最近一年多時(shí)間得到迅速提高，設(shè)計(jì)與TBP 相匹配的電子受體一平面共軛分子將有力推動(dòng)這類光伏電池的光電轉(zhuǎn)換率的提高。
[0004] 影響光伏電池光電轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵問題是激子的擴(kuò)散效率。激子擴(kuò)散效率取決于激 子在光敏層尤其是在給體聚合物中的擴(kuò)散長度，所以減低激子擴(kuò)散到電子給體和電子受體 的界面的距離，是提高光伏電池的短路電流的途徑之一。據(jù)此，增加電子給體TBP與電子受 體的接觸面積，縮短激子的擴(kuò)散距離，可導(dǎo)致光伏電池的短路電流的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供了一種平面共軛化合物， 作為電子受體，制作異質(zhì)結(jié)（Bulkheterojunction，BHJ)光伏電池，易通過JT-JTStaking 效應(yīng)與TBP重疊從而增大與TBP的接觸面積，縮短激子的擴(kuò)散距離，導(dǎo)致光伏電池的短路電 流的增加，最終提高光伏電池的光電轉(zhuǎn)換率。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了化合物雙環(huán)戊烷并[Cd,Im]茈_1，2,7,8_四酮 (結(jié)構(gòu)式如圖1所示）及其制備方法。
[0007] 本發(fā)明化合物雙環(huán)戊烷并[cd，Im]茈_1，2,7,8_四酮以二苊醌基硫醚和銅鹽為原 料，加熱反應(yīng)制備。其中，原料二苊醌基硫醚和銅鹽加入溶劑中，進(jìn)行加熱反應(yīng)。溶劑選用DMSO、1，4-丁二醇或異喹啉，優(yōu)選DMSO;溶劑與原料二苊醌基硫醚的用量比為75ml-175ml: lmmol，優(yōu)選用量比為125ml:1_〇1。銅鹽采用氯化銅、硫酸銅或硝酸銅，優(yōu)選硝酸銅。二危 醌基硫醚和銅鹽的摩爾比為1:1-1:3(比例低于1:1時(shí)，反應(yīng)不完全；比例高于1:3時(shí)，造成 銅鹽浪費(fèi))，優(yōu)選摩爾比為1:2 ;加熱反應(yīng)溫度為130-180°C，優(yōu)選反應(yīng)溫度為160°C;反應(yīng)時(shí) 間為6-35h(反應(yīng)時(shí)間小于6h，反應(yīng)不充分，產(chǎn)率低；高于35h，產(chǎn)率沒有明顯提高)，優(yōu)選反 應(yīng)時(shí)間為6h。
[0008] 本發(fā)明還提供了上述化合物雙環(huán)戊烷并[Cd,lm]茈-1，2,7,8-四酮在光伏電池電 子受體材料方面的應(yīng)用。雙環(huán)戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮與電子給體材料TBP混合 旋涂成膜，熒光淬滅實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理念的正確性，使用該化合物與TBP材料制作的 光伏電池將具有較大短路電流。
[0009] 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明平面共軛化合物雙環(huán)戊烷并[cd，Im] 茈-1，2, 7,8-四酮易通過Jr-JrStaking效應(yīng)與TBP重疊從而增大與TBP的接觸面積，縮 短激子的擴(kuò)散距離，作為電子受體材料與電子給體材料TBP制作光伏電池，能提高光伏電 池的短路電流、填充因子和光電轉(zhuǎn)換率。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明化合物雙環(huán)戊烷并[Cd,Im]茈-1，2, 7,8-四酮的結(jié)構(gòu)式； 圖2為制備本發(fā)明化合物雙環(huán)戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮的反應(yīng)方程式； 圖3為本發(fā)明化合物雙環(huán)戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮的紫外吸收光譜。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0012] 實(shí)施例1 將二苊醌基硫醚（〇? 79g，2mmol)和硫酸銅（0? 32g，2mmol)加入到DMS0(250mL) 中，加熱到160 °C，攪拌6小時(shí)。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環(huán)戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮（0.53g，73. 4 %)。
[0013] MS(FD+) : 361. 1 UV-vis:入max= 498nm〇
[0014] 1HNMR(DMS0-d6) : 8 = 8. 00 - 7. 50 (m, 8H) 實(shí)施例2 將二苊醌基硫醚（〇? 79g，2mmol)和硫酸銅（0? 96g，6mmol)加入到DMS0(250mL) 中，加熱到160°C，攪拌6小時(shí)。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環(huán)戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮（0.61g，84. 5 %)。
[0015] 實(shí)施例3 將二苊醌基硫醚（〇? 79g，2mmol)和硫酸銅（0? 64g，4mmol)加入到DMS0(250mL) 中，加熱到160°C，攪拌6小時(shí)。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環(huán)戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮（0.60g，83. 1 %)。
[0016]從實(shí)施例1-3可以看出隨著二苊醌基硫醚和銅鹽摩爾比的增加，反應(yīng)產(chǎn)率逐漸變 高，但當(dāng)摩爾比為I:2-1 :3時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率變化不大。因此優(yōu)選二苊醌基硫醚和銅鹽摩爾比為1 :2〇
[0017] 實(shí)施例4 將二苊醌基硫醚（〇? 79g，2mmol)和硫酸銅（0? 64g，4mmol)加入到DMS0(150mL) 中，加熱到160°C，攪拌6小時(shí)。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環(huán)戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮（0.61