化合物雙環戊烷并[cd,lm]苝-1,2,7,8-四酮及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種光伏電池受體材料，具體涉及一種化合物雙環戊烷并[Cd,Im] 茈-1，2, 7,8-四酮及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002] 有機光伏電池的發展需要高性能的電子給體（Donor)和電子受體（Acceptor)材 料。當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 合物是加州大學圣芭芭拉分校的Wudl研宄組設計合成的C60衍生物PCBM([6, 6]-phenyl C61_butyricacidmethylester)，和中科院化學所李永舫教授等設計合成的ICBA (Indene_C60orC70bisadduct)電子受體材料。這些電子受體材料LUMO能級太低，導致 光伏電池開路電壓較低。為了克服該缺點，許多小分子非富勒稀電子受體化合物被合成，經 過多年發展，使用非富勒烯光伏電池的光電轉化率已經得到很大提高，成為具有前景的研 宄領域。這些受體化合物主要是平面共軛分子，有利于聚集成規則形狀，形成受體材料相。 便于接受電子和傳遞到電極表面。
[0003] 作為一個實用的光伏電池材料必須具備易合成，性質穩定，價格低廉的特 點。因此，一些跨國公司經過多年的研宄探索，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）已經通過工藝優化等途徑，將使用P3HT和PCBM 制作的光伏電池的光電轉換率提高到大于8 %的水平，申請了上百個專利。使用TBP和平 面共軛分子制作的光伏電池的光電轉換率也在最近一年多時間得到迅速提高，設計與TBP 相匹配的電子受體一平面共軛分子將有力推動這類光伏電池的光電轉換率的提高。
[0004] 影響光伏電池光電轉化率的關鍵問題是激子的擴散效率。激子擴散效率取決于激 子在光敏層尤其是在給體聚合物中的擴散長度，所以減低激子擴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。據此，增加電子給體TBP與電子受 體的接觸面積，縮短激子的擴散距離，可導致光伏電池的短路電流的增加。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了解決現有技術中存在的缺陷，提供了一種平面共軛化合物， 作為電子受體，制作異質結（Bulkheterojunction，BHJ)光伏電池，易通過JT-JTStaking 效應與TBP重疊從而增大與TBP的接觸面積，縮短激子的擴散距離，導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換率。
[0006] 為了達到上述目的，本發明提供了化合物雙環戊烷并[Cd,Im]茈_1，2,7,8_四酮 (結構式如圖1所示）及其制備方法。
[0007] 本發明化合物雙環戊烷并[cd，Im]茈_1，2,7,8_四酮以二苊醌基硫醚和銅鹽為原 料，加熱反應制備。其中，原料二苊醌基硫醚和銅鹽加入溶劑中，進行加熱反應。溶劑選用DMSO、1，4-丁二醇或異喹啉，優選DMSO;溶劑與原料二苊醌基硫醚的用量比為75ml-175ml: lmmol，優選用量比為125ml:1_〇1。銅鹽采用氯化銅、硫酸銅或硝酸銅，優選硝酸銅。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，反應不完全；比例高于1:3時，造成 銅鹽浪費)，優選摩爾比為1:2 ;加熱反應溫度為130-180°C，優選反應溫度為160°C;反應時 間為6-35h(反應時間小于6h，反應不充分，產率低；高于35h，產率沒有明顯提高)，優選反 應時間為6h。
[0008] 本發明還提供了上述化合物雙環戊烷并[Cd,lm]茈-1，2,7,8-四酮在光伏電池電 子受體材料方面的應用。雙環戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮與電子給體材料TBP混合 旋涂成膜，熒光淬滅實驗初步驗證了設計理念的正確性，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] 本發明相比現有技術具有以下優點：本發明平面共軛化合物雙環戊烷并[cd，Im] 茈-1，2, 7,8-四酮易通過Jr-JrStaking效應與TBP重疊從而增大與TBP的接觸面積，縮 短激子的擴散距離，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、填充因子和光電轉換率。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明化合物雙環戊烷并[Cd,Im]茈-1，2, 7,8-四酮的結構式； 圖2為制備本發明化合物雙環戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮的反應方程式； 圖3為本發明化合物雙環戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮的紫外吸收光譜。
【具體實施方式】
[0011] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0012] 實施例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。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環戊烷并[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。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮（0.61g，84. 5 %)。
[0015] 實施例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。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮（0.60g，83. 1 %)。
[0016]從實施例1-3可以看出隨著二苊醌基硫醚和銅鹽摩爾比的增加，反應產率逐漸變 高，但當摩爾比為I:2-1 :3時，反應產率變化不大。因此優選二苊醌基硫醚和銅鹽摩爾比為1 :2〇
[0017] 實施例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。過濾，冷卻母液，析出暗紅色沉淀，過濾，得到暗紅色粉末雙 環戊烷并[cd，Im]茈-1，2, 7,8-四酮（0.61