專利名稱：一種富勒烯衍生物及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化合物人工合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及4-苯甲?；∷嶂俣□?、5-苯基-5-對(duì)甲苯磺酰肼基戊酸仲丁酯、PC61BSB (5,6)位物質(zhì)及PC61BSB (6,6)位物質(zhì)的合成技術(shù)。該P(yáng)C61BSB可作為電子受體材料應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池中。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是一種取之不盡，用之不竭的能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可由人類自由支配。將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為人類可以利用的能源一直是各國(guó)科學(xué)家所奮斗的目標(biāo)。至1954年美國(guó)科學(xué)家第一次研制出單晶硅太陽(yáng)能電池以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)利用半導(dǎo)體材料制作太陽(yáng)能電池以解決人類對(duì)能源需求的期望越來(lái)越強(qiáng)烈。在短短的幾十年中，已有許多類太陽(yáng)能電池問(wèn)世，主要有單晶硅、多晶硅和非晶硅、無(wú)機(jī)體系和有機(jī)聚合薄膜系太陽(yáng)能電池。對(duì)于硅系太陽(yáng)能電池，雖然光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)比較高，但其制作成本高昂，生產(chǎn)工藝及條件苛刻，材料本身工作壽命較短，產(chǎn)品受環(huán)境影響，這樣因素大大限制了硅系太陽(yáng)能電池的普及。為了減低制作成本，科學(xué)家開發(fā)出了非硅系太陽(yáng)能電池。從低成本，簡(jiǎn)化制作工藝，提高工作穩(wěn)定性，增大轉(zhuǎn)換效率等方面來(lái)研發(fā)太陽(yáng)能電池。有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池由于原料易得、價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定性高、環(huán)境影響小、能量轉(zhuǎn)換效率高、易于制備成柔性電池等特點(diǎn)而倍受人們關(guān)注。第一個(gè)太陽(yáng)能電池是美國(guó)科學(xué)家在1954年開發(fā)的單晶硅太陽(yáng)能電池，現(xiàn)代太陽(yáng)能電池的發(fā)展正式開始。到目前為止太陽(yáng)能電池已發(fā)展到了第三代。第一代是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的晶體硅太陽(yáng)能電池，包括單晶硅太陽(yáng)能電池和多晶硅太陽(yáng)能電池，是迄今 為止能量轉(zhuǎn)換效率最高的太陽(yáng)能電池。但由于這一代太陽(yáng)能電池在原材料生產(chǎn)過(guò)程中污染嚴(yán)重、能耗高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高昂，限制了這類太陽(yáng)能電池的廣泛應(yīng)用。第二代是于上世紀(jì)80年代發(fā)展的無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，主要代表產(chǎn)品有非晶硅太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒太陽(yáng)能電池和碲化鎘太陽(yáng)能電池。這一代太陽(yáng)能電池能量轉(zhuǎn)換效率普遍能達(dá)到10%左右，但是由于原材料稀少、加工難度大，雖然生產(chǎn)工藝較第一代太陽(yáng)能電池有較大簡(jiǎn)化，但受高真空過(guò)程的局限，生產(chǎn)成本依然昂貴；另外最主要一點(diǎn)是這類太陽(yáng)能電池原材料大多數(shù)為重金屬，在上產(chǎn)、加工和后續(xù)使用中會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，這一特點(diǎn)嚴(yán)重限制了第二代無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的應(yīng)用和發(fā)展。針對(duì)以上兩代太陽(yáng)能電池的優(yōu)缺點(diǎn)，各國(guó)科學(xué)家于上世紀(jì)90年代中期開始開發(fā)第三代的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池。目前的主要代表有染料-敏化太陽(yáng)能電池和聚合物太陽(yáng)能電池。這一代太陽(yáng)能電池的原材料主要為有機(jī)物，材料來(lái)源廣泛，生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單，適于低溫生產(chǎn)。由于大多數(shù)有機(jī)物具有可溶性，因而太陽(yáng)能電池器件制備可通過(guò)溶液加工，例如旋涂和噴墨打印等。溶液加工對(duì)于器件的基底要求不高，可在玻璃、薄膜、衣服或紙質(zhì)等材料上進(jìn)行加工，因而太陽(yáng)能電池器件可制備成大面積、柔性的產(chǎn)品，這一特性能夠大大提高有機(jī)太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用。由于有機(jī)太陽(yáng)能電池是新近才發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，目前能量轉(zhuǎn)換效率最大值僅為8. 3%，在材料和工藝上都存在許多有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題。
富勒烯是碳的同素異形體，是由60個(gè)碳原子通過(guò)大π鍵體系構(gòu)成的特別穩(wěn)定的對(duì)稱足球狀分子，具有接受電子的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)，因此具有作為聚合物太陽(yáng)能電池受體材料的潛質(zhì)。對(duì)富勒烯表面進(jìn)行化學(xué)修飾制備出的新型富勒烯衍生物，可以大大提高接受電子的能力，同時(shí)可使溶解性增加，應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池時(shí)，可大大提高太陽(yáng)能電池的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一，是提供一種富勒烯衍生物，其作為聚合物太陽(yáng)能電池受體材料，應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池的制備；
本發(fā)明的目的之二，是提供一種上述富勒烯衍生物的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種富勒烯衍生物，該衍生物的化學(xué)式為[6，6]-苯基-C61-丁酸仲丁酯，結(jié)構(gòu)如下式
權(quán)利要求
1.一種富勒烯衍生物，其特征在于，該衍生物的化學(xué)式為[6，6]-苯基-C61-丁酸仲丁酯，結(jié)構(gòu)如下式
2.權(quán)利要求I所述富勒烯衍生物的用途，作為電子受體材料應(yīng)用于聚合物太陽(yáng)能電池。
3.權(quán)利要求I所述富勒烯衍生物的制備方法，包括步驟 (1)、將4-苯甲?；∷崤c仲丁醇進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到4-苯甲?；∷嶂俣□ィ? (2)、再將4-苯甲?；∷嶂俣□ヅc對(duì)甲苯磺酰肼溶于仲丁醇回流得到5-苯基-5-對(duì)甲苯磺酰肼基戊酸仲丁酯； (3)、繼將5-苯基-5-對(duì)甲苯磺酰肼基戊酸仲丁酯與富勒烯(C6tl)反應(yīng)生成PC61BSB(5，6)位物質(zhì)； (4)、最后將PC61BSB(5，6)位物質(zhì)溶于鄰二氯苯回流提純得到[6，6]-苯基-C61-丁酸仲丁酯。
4.如權(quán)利要求3所述的富勒烯衍生物的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)酯化反應(yīng)的具體步驟是，先將4-苯甲酰基丁酸置于圓底燒瓶中，加入有機(jī)溶劑和仲丁醇，溶解完全后置于油浴鍋中，再滴加催化劑并加熱回流、持續(xù)攪拌反應(yīng)；反應(yīng)完成后將溶液用稍過(guò)量的碳酸氫鈉水溶液沖洗除去硫酸，再加足量的乙酸乙酯提取產(chǎn)物，分液得到有機(jī)層，再用蒸餾水沖洗并收集有機(jī)層部分；用無(wú)水硫酸鈉干燥有機(jī)相后過(guò)濾收集濾液，減壓旋干得粗產(chǎn)物，經(jīng)層析硅膠柱分離得純4-苯甲?；∷嶂俣□ィ珊笳婵崭稍?。
5.如權(quán)利要求4所述的富勒烯衍生物的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)溶劑是甲苯，所述催化劑是濃硫酸，所述加熱回流的溫度為90°C，所述真空干燥時(shí)間為10小時(shí)，所述層析硅膠柱分離條件為有效柱長(zhǎng)15cm ;硅膠300-400目；流動(dòng)相乙酸乙酯正己烷=1:6。
6.如權(quán)利要求3所述的富勒烯衍生物的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體步驟是，取4-苯甲?；∷嶂俣□ズ蛯?duì)甲苯磺酰肼于圓底燒瓶中，加一定量仲丁醇，加熱至110°C，持續(xù)攪拌回流12小時(shí)，反應(yīng)完成后冷卻，析出白色沉淀，抽濾得到白色沉淀，用甲醇沖洗后再次抽濾，將剩下的白色物質(zhì)干燥得白色固體5-苯基-5-對(duì)甲苯磺酰肼基戊酸仲丁酯。
7.如權(quán)利要求3所述的富勒烯衍生物的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)的具體步驟是，先將C6tl溶于有機(jī)溶劑鄰二氯苯中，制得C6tl溶液待用；再取5-苯基-5-對(duì)甲苯磺酰肼基戊酸仲丁酯于三頸燒瓶中，加入干燥的有機(jī)溶劑吡啶溶解，再加入強(qiáng)堿甲醇鈉并通入N2保護(hù)，升溫至80°C下攪拌反應(yīng)15分鐘，溶液變?yōu)榧t色，然后自然冷卻，待溫度降至69°C后，將C6tl溶液用恒壓滴液漏緩慢滴加至紅色溶液中，攪拌反應(yīng)24小時(shí)；反應(yīng)完成后將溶液倒至單口圓底燒瓶中先于75°C下減壓旋蒸除去吡啶，再升溫至97°C除去鄰二氯苯；用少量CS2完全溶解后上硅膠柱分離；先用CS2將未反應(yīng)完全的C6tl紫色物質(zhì)洗脫出來(lái)，之后在改用氯苯洗脫，將后一段紫色物質(zhì)洗脫出來(lái)；將紫色物質(zhì)減壓旋干得PC61BSB (5，6)位物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求7所述的富勒烯衍生物的制備方法，其特征在于，所述硅膠柱分離條件為有效柱長(zhǎng)10c m，硅膠H，流動(dòng)相CS2、氯苯。
9.如權(quán)利要求3所述的富勒烯衍生物的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)的具體步驟是，將PC61BSB (5，6)位物質(zhì)用鄰二氯苯溶解并轉(zhuǎn)移至單口圓底燒瓶，置于電熱套中，電熱套下部連磁力攪拌器，加熱回流攪拌，當(dāng)溶液由紫色變?yōu)榧t棕色時(shí)，減壓旋蒸除去鄰二氯苯后，再經(jīng)層析硅膠柱進(jìn)一步分離得到高純PC61BSB (6,6)位物質(zhì)。
10.如權(quán)利要求9所述的富勒烯衍生物的制備方法，其特征在于，所述回流攪拌的加熱溫度為180°C，攪拌時(shí)間48小時(shí)，減壓旋蒸時(shí)的加熱溫度為97°C，硅膠柱分離條件為有效柱長(zhǎng)7cm ;娃膠H ;流動(dòng)相氯苯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種富勒烯衍生物及其制備方法和用途，即[6,6]-苯基-C61-丁酸仲丁酯(PC61BSB)及其制備方法和用途。首先以4-苯甲?；∷岷椭俣〈紴樵显跐饬蛩岽呋饔孟潞铣傻玫?-苯甲?；∷嶂俣□?，之后4-苯甲?；∷嶂俣□ヅc對(duì)甲苯磺酰肼溶于仲丁醇回流生成5-苯基-5-對(duì)甲苯磺酰肼基戊酸仲丁酯，5-苯基-5-對(duì)甲苯磺酰肼基戊酸仲丁酯在甲醇鈉催化作用下與富勒烯(C60)反應(yīng)生成PC61BSB(5,6)位物質(zhì)，最后PC61BSB(5,6)位物質(zhì)溶于鄰二氯苯回流得到高純度PC61BSB。該富勒烯衍生物可作為電子受體材料在聚合物太陽(yáng)能電池獲得應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L51/46GK102875377SQ20121038625
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月12日
發(fā)明者彭汝芳, 金波, 范利生, 楚士晉, 杜利成, 梁華 申請(qǐng)人:西南科技大學(xué)