CN104788313A - 一种具有二苯甲基类衍生物和pc60bm双加成物的受体材料 - Google Patents

一种具有二苯甲基类衍生物和pc60bm双加成物的受体材料 Download PDF

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Abstract

本发明属有机功能材料领域，涉及一种具有二苯甲基类衍生物和PC60BM双加成物受体材料在聚合物光伏电池中的应用。其结构式如式Ⅰ所示。

Description

一种具有二苯甲基类衍生物和PC60BM双加成物的受体材料
技术领域
本发明属有机功能材料领域，具体涉及一种具有二苯甲酮类衍生物和PC60BM双加成物的受体材料。
背景技术
聚合物光伏电池由于材料来源广泛，价格低廉，易于大规模生产而在新能源领域展现出巨大的潜力，受到各国的广泛关注。影响聚合物太阳能电池的转换效率的因素很多，其中开路电压是影响太阳能电池转换效率的主要因素之一，开发高LUMO能级受体则可以实现提高电池开路电压，进而提升电池效率。富勒烯由于其特殊的电子结构常用来被用作聚合物光伏电池的电子受体材料。最常用受体材料为在1995年发现的[6,6]苯基-C61-丁酸甲酯(PC60BM)，与常用的受体P3HT相混合制成器件的效率一般在4％左右。但是，这个数据明显低于产品化的要求。其原因是，P3HT的HOMO能级与PC60BM的LUMO能级之差仅有0.8eV左右，这个数值较小，导致器件的开路电压很低，一般在0.6V左右，而光电转换效率同样也很难再有提高。
在高LUMO富勒烯衍生物中，最值得关注的是一些富勒烯二加成衍生物，分子式如式II所示。例如李永舫等合成的C60双茚加成产物ICBA(J.Am.Chem.Soc.,2010,132,1377-1382.)，其LUMO能级与PC60BM相比提高了0.17eV，以P3HT为给体材料，器件的开路电压达到0.84V，经过优化后的光电转化效率6.5％。Hsu等合成的以双二苯甲基类富勒烯加成物DMPCBA(Chem.Mater.,2011,23(17),pp4056-4062.)为受体材料制备的器件，开路电压达到0.87V，效率5.2％；以双苄基富勒烯加成物OXCBA为受体制备的器件开路电压0.83V，效率达到5.31％。
二加成富勒烯衍生物目前成为了受体材料的研究热点，但是目前报道的该类材料的结构和能级结构还较单一。而给体聚合物的种类繁多，而且能级范围变化较大，有的聚合物的LUMO已经低于或者接近于受体材料的LUMO能级。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是开发一种光电受体材料，从而提高光伏电池的开路电压，进而提升器件的光电转化效率。
为了实现上述目的，本发明公开了一种具有二苯甲基类衍生物和PC60BM双加成物的受体材料，其特征在于结构如式I所示：
式中，R为氢、氟原子，或碳原子数为1～20的直链或支链烷基，或碳原子数为1～20的直链或支链烷氧基；具体结构可以为如下结构式的任意一个：
本发明的合成采用如式Ⅲ所示的反应方程式进行。
其中，R为氢、氟原子，或碳原子数为1～20的直链或支链烷基，或碳原子数为1～20的直链或支链烷氧基。
本发明的有益效果：
本发明采用材料；用CHI660D型电化学工作站，采用铂盘电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/Ag+电极为参比电极，0.1mol/L的四丁基六氟磷酸铵(TBAPF6)-乙腈溶液中进行，经循环伏安法测定，实施例中的受体LUMO能级如表1所示。
表1
受体 PC60BM DPC60BM DFPC60BM DMPC60BM DMOPC60BM
LUMO(eV) -3.88 -3.78 -3.82 -3.76 -3.71
由表1可以看出所合成富勒烯二加成衍生物的LUMO比PC60BM均有所提高。根据经验公式开路电压Voc＝LUMOAcceptor-HOMODonor-0.3可知，受体材料较高的LUMO能会使开路电压的提高，从而提高光伏电池器件光电转换效率。四种聚合物材料的LUMO能级分别为-3.78eV、-3.76eV、-3.71eV以及-3.82eV，这与C60上取代基的给电性相符，其中DMOPC60BM的LUMO能级最高，达到了-3.71eV，这是由于DMOPC60BM上的甲氧基给电子性最强的缘故。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，以便更好地理解本发明的内容。
实施例1：以受体二苯甲基PC60BM双加成物(DPC60BM)的合成为例
合成路线如下：
二苯甲酮对甲苯磺酰腙的合成(化合物1)的合成
称二苯甲酮(1mmol)，对甲苯磺酰肼(1.2当量)放于单口瓶中，加溶剂甲醇10ml。加热搅拌至沸腾回流。反应时间为5.5小时。反应停止后静置一天，后放入冰箱下层(冰箱控温.-15℃)冷却结晶。必要时要先蒸馏除去部分溶剂。得白色粉末状或盐状结晶，用布氏漏斗抽滤，少量冷甲醇清洗。放入恒温真空干燥箱干燥，控温50℃，抽真空干燥过夜。过后称重，得3.59g。产率96％,纯度98.4％。
二苯甲基PC60BM双加成物(化合物2)的合成
先称0.6克PC60BM于单口瓶加40ml邻二氯苯震荡溶解备用。安装三口瓶，一口通氮气，中间接冷凝管，另一口温度计。称1.5g二苯甲酮对甲苯磺酰腙于三口瓶。放入11ml干燥过的吡啶，通氮气待用。搅拌下，二苯甲酮腙溶解。称460mg甲醇钠倒入三口瓶，搅拌反应15分钟。然后加入PC60BM邻二氯苯溶液。控制温度为65-70℃，由TLC监控反应进程，此反应共反应30小时结束，然后将此粗品过硅胶柱分离，依次流出为未反应的PC60BM，DPC60BM,DPC60BM多加成物。分别收集纯点。得到220mg纯品，含量98.2％，产率31％。
MALDI-TOF质谱：DPC60BM理论值为1076.0，实验值为1077.07。
实施例2：以受体二氟二苯甲基PC60BM双加成物(DFPC60BM)的合成为例
合成路线如下：
以二氟二苯甲酮为原料，用实施例1的步骤和条件通过合成化合物3得到目标化合物4.
MALDI-TOF质谱：DFPC60BM理论值为1112.0，实际值为1110.11。
实施例3：以受体二甲基二苯甲基PC60BM双加成物(DMPC60BM)的合成为例
合成路线如下：
以二甲基二苯甲酮为原料，用实施例1的步骤和条件通过合成化合物5得到目标化合物6。
MALDI-TOF质谱：DMPC60BM理论值1104.0，实际值为1104.72。
实施例4：以受体二甲氧基二苯甲基PC60BM双加成物(DMOPC60BM)的合成为例
合成路线如下：
以二甲氧基二苯甲酮为原料，用实施例1的步骤和条件通过合成化合物7得到目标化合物8。
MALDI-TOF质谱：DMOPC60BM理论值1136.0，实际值为1136.68。

Claims (2)

1.一种具有二苯甲基类衍生物和PC60BM双加成物的受体材料，其特征在于，结构式如式Ⅰ所示：
式中，R为氢、氟原子、碳原子数为1到20的直链或支链烷基，或碳原子数为1到20的直链或支链烷氧基。
2.如权利要求1所述的一种具有二苯甲基类衍生物和PC60BM双加成物的受体材料，其特征在于，为如下结构式的任意一个：
。
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