CN114195802A - 小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法 - Google Patents

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宋金旺
马占元
常晓华
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    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07DHETEROCYCLIC COMPOUNDS
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    • C07D495/22Heterocyclic compounds containing in the condensed system at least one hetero ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms in which the condensed system contains four or more hetero rings

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Abstract

本发明涉及有机太阳能电池领域,具体涉及一种小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法;首先制备化合物TH2021,再制备出化合物TH2022,再利用TH2022制备出化合物COi8DFIC;本发明合成路线的设计以及反应过程的优化,成功实现了小分子点受体材料COi8DFIC的规模化生产。本发明涉及到的所有原材料均为常规化工产品,价格低廉,并且收率高无需过柱,适合工业化生产。

Description

小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法
技术领域
本发明涉及有机太阳能电池领域,具体涉及一种小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法。
背景技术
太阳能电池的是太阳能利用的最有效手段之一。由于质轻、柔性、制备简单等优势,薄膜太阳能电池近年来获得了迅速发展。有机太阳能电池,具有柔性、成本低、重量比能量高的特点。有机太阳能电池理论转换效率可以达到20%以上,与其它类型太阳能电池相当。
同于传统的硅基和铜铟镓锡太阳能电池的加工工艺,由于大面积有机太阳能电池的所有层都可以溶液加工,且每一层所需要的层厚度一般非常薄,所以能够使用快速印刷和涂布的工艺来得到有机太阳能电池。同时,与其他太阳能电池相比,有机太阳能电池材料的光学吸收常数特别高,因此只需要制备很薄(百纳米级别)的薄膜就能够吸收可见光区绝大多数太阳光。这不仅极大地降低了原料上的成本,也便于使用已有的工业化的卷对卷印刷等手段来生产。因此提高大面积有机太阳能电池的能量转换效率,将有利于在未来竞争中占据优势。
大面积有机太阳能电池要获得理想的效率仍需要很大的努力,从材料角度来说,需要采用对薄膜厚度不敏感的活性层材料来制备高效的大面积有机太阳能电池,要求材料体系具有高的载流子迁移率(尤其是垂直传输),低的双分子复合,适当的相分离,合适的相区尺寸和结晶度。从器件加工角度来说,需要制备工艺可以制备连续制备均一性好的薄膜。总之,只有选择高效的厚膜材料体系,采用有效的模块设计策略减少效率损失,再利用合适的印刷或涂布方法,才能成功制造出高性能的大面积OSC。
目前市场上有机太阳能电池根据加工方法分为以下几类:丝网印刷涂布、涂布转换型和卷对卷涂布;丝网印刷法是生产大面积有机太阳能电池组件的关键技术之一,该技术的研发结果已有报道。2004年,F.C.Krebs小组通过丝网印刷法利用MEH-PPV材料做成了大面积的组件,并对该组件进行了测试。该组件将PET材料作为ITO的衬底,通过刻蚀的方法设计出ITO电极的形状。通过丝网印刷将MEH-PPV材料涂布在基底上,再通过真空镀膜的方法沉积C60,接着热蒸发铝电极,成功制作出面积100 cm2的大面积组件,在AM1.5的条件下该组件效率为4.6×10-3%。“涂布转换型”方法也引起了人们关注,该方法通过用可溶于溶剂的前驱体进行涂布后加热,然后在结构上转换成具有半导体特性的材料。卷对卷涂布是目前常用的大面积电池生产技术。英国风险企业G24Innovations(G24i)已从2007年10月起采用卷对卷式印刷技术以25 MW/年的规模开始量产柔性染料敏化太阳能电池模块。
但是,前期的市场化的有机光伏生产都是基于低性能的P3HT体系,由于其转换效率较低,间接影响了市场的发展和集成器件、功能化器件的应用;通过开发设计新的有机共轭材料来设计出带隙更小的材料,并结合现在新兴的高效率的非富勒烯材料(原型器件效率大于15%),必将大大推动其应用范畴,从而实现商业化生产的要求是极有可能的。
COi8DFIC是一类光电转换效率较高的小分子非富勒烯电子受体材料,该材料溶液加工性好,膜厚不敏感,适合大面积涂布。但是该材料的现有的制备成本高,不适合规模化生产。
发明内容
本发明克服现有技术的不足,提供一种小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,实现以低廉的成本规模化成产的目的。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案为:
小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,包括以下合成步骤:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
上述制备方法,具体包括以下步骤:
1)化合物TH2021:将化合物3和乙醇加入到100 L反应釜中,缓慢滴加浓硫酸,滴毕加热回流反应,TLC跟踪反应进程,反应完毕后将反应液倒入水中,搅拌30 min,过滤,水洗滤饼,得到粗品;粗品在石油醚中重结晶精制后得到产品,收率67%;
2)化合物TH2022:氮气保护下将化合物4溶于无水四氢呋喃中,冷却至-78℃后缓慢滴加丁基锂正己烷溶液,滴毕在低温下反应2小时,随后滴加三甲基氯化锡正己烷溶液,滴毕升温至0℃,TLC跟踪反应进程,反应完毕后加入水淬灭反应,分液,有机相水洗两次,蒸去溶剂,得到的固体分别用水和甲醇洗涤,得到产品,收率73.3%;
3)化合物COi8DFIC:将化合物11和化合物12溶于三氯甲烷溶液中,在常温下滴入吡啶,滴毕加热回流反应,TLC跟踪反应。反应完全后向反应液中加入甲醇,过滤,甲醇洗涤滤饼,得到粗品,粗品经两次重结晶精制后得到目标产物,收率96%。
进一步的,步骤1)中化合物3、乙醇、浓硫酸、水、TH2021粗品及TH2021产品的比例为5.6 Kg:56 Kg:6.6 Kg:200 Kg:6 Kg:3.8 Kg。
进一步的,步骤2)中化合物4、无水四氢呋喃、丁基锂正己烷溶液、三甲基氯化锡正己烷溶液、水及化合物TH2022产品的比例为:120 g:6 Kg:576 g:1.9 Kg:1.8 Kg:230 g。
进一步的,步骤3)中化合物11、化合物12、三氯甲烷溶液、吡啶、甲醇、COi8DFIC粗品及COi8DFIC产品的比例为:10 g:12.5 g:2.5 Kg:27 g:1.5 Kg:13.68 g:13.1 g。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果:
本发明合成路线的设计以及反应过程的优化,成功实现了小分子点受体材料COi8DFIC的规模化生产。该工艺涉及到的所有原材料均为常规化工产品,价格低廉,并且收率高无需过柱,适合工业化生产。
附图说明
图1为化合物TH2021 氢谱图。
图2为化合物TH2022氢谱图。
图3为化合物COi8DFIC氢谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本实施例涉及的3,4-二溴噻吩、丁基锂、四溴化碳以及硫酸等化学原料均为常规化工产品,详见表1。
表1. 本发明使用的部分原材料
Figure DEST_PATH_IMAGE004
小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,包括以下合成步骤:
Figure 910473DEST_PATH_IMAGE002
上述制备方法,具体包括以下步骤:
化合物TH2021:将5.6 Kg化合物3,乙醇56 Kg乙醇加入到100 L反应釜中,缓慢滴加6.6 Kg浓硫酸,滴毕加热回流反应,TLC跟踪反应进程,反应完毕后将反应液倒入200 Kg水中,搅拌30 min,过滤,水洗滤饼,得到6 Kg粗品。粗品在石油醚中重结晶精制后得到3.8Kg产品,收率67%。化合物TH2021的氢谱图如图1所示。
化合物TH2022:氮气保护下将120 g化合物4溶于6 Kg无水四氢呋喃中,冷却至-78℃后缓慢滴加576 g丁基锂正己烷溶液,滴毕在低温下反应2小时,随后滴加1.9 Kg三甲基氯化锡正己烷溶液,滴毕升温至0℃,TLC跟踪反应进程,反应完毕后加入1.8 Kg水淬灭反应,分液,有机相水洗两次,蒸去溶剂,得到的固体分别用水和甲醇洗涤,得到230 g产品,收率73.3%。化合物TH2022的氢谱图如图2所示。
化合物COi8DFIC:将10 g化合物11和12.5 g化合物12溶于2.5 Kg三氯甲烷溶液中,在常温下滴入27 g吡啶,滴毕加热回流反应,TLC跟踪反应。反应完全后向反应液中加入1.5 Kg甲醇,过滤,甲醇洗涤滤饼,得到13.68 g粗品,粗品经两次重结晶精制后得到13.1 g目标产物,收率96%。化合物COi8DFIC的氢谱图如图3所示。
通过上述合成路线的设计以及反应过程的优化,我们成功实现了小分子点受体材料COi8DFIC的规模化生产。该工艺涉及到的所有原材料均为常规化工产品,价格低廉,并且收率高无需过柱,适合工业化生产。

Claims (5)

1.小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,其特征在于,包括以下合成步骤:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
2.根据权利要求1所述的小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
1)化合物TH2021:将化合物3和乙醇加入到100 L反应釜中,缓慢滴加浓硫酸,滴毕加热回流反应,TLC跟踪反应进程,反应完毕后将反应液倒入水中,搅拌30 min,过滤,水洗滤饼,得到粗品;粗品在石油醚中重结晶精制后得到产品,收率67%;
2)化合物TH2022:氮气保护下将化合物4溶于无水四氢呋喃中,冷却至-78℃后缓慢滴加丁基锂正己烷溶液,滴毕在低温下反应2小时,随后滴加三甲基氯化锡正己烷溶液,滴毕升温至0℃,TLC跟踪反应进程,反应完毕后加入水淬灭反应,分液,有机相水洗两次,蒸去溶剂,得到的固体分别用水和甲醇洗涤,得到产品,收率73.3%;
3)化合物COi8DFIC:将化合物11和化合物12溶于三氯甲烷溶液中,在常温下滴入吡啶,滴毕加热回流反应,TLC跟踪反应;反应完全后向反应液中加入甲醇,过滤,甲醇洗涤滤饼,得到粗品,粗品经两次重结晶精制后得到目标产物,收率96%。
3.根据权利要求2所述的小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,其特征在于,步骤1)中化合物3、乙醇、浓硫酸、水、TH2021粗品及TH2021产品的比例为5.6 Kg:56 Kg:6.6Kg:200 Kg:6 Kg:3.8 Kg。
4.根据权利要求2所述的小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,其特征在于,步骤2)中化合物4、无水四氢呋喃、丁基锂正己烷溶液、三甲基氯化锡正己烷溶液、水及化合物TH2022产品的比例为:120 g:6 Kg:576 g:1.9 Kg:1.8 Kg:230 g。
5.根据权利要求2所述的小分子受体材料COi8DFIC的规模化制备方法,其特征在于,步骤3)中化合物11、化合物12、三氯甲烷溶液、吡啶、甲醇、COi8DFIC粗品及COi8DFIC产品的比例为:10 g:12.5 g:2.5 Kg:27 g:1.5 Kg:13.68 g:13.1 g。
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