本发明涉及太阳能电池，具体涉及一种基于苝二酰亚胺的星形受体化合物及其制备方法和应用、一种用于有机太阳能电池的有机材料层的组合物、一种有机太阳能电池。
背景技术：
1、能源是人类社会发展的重要因素。然而，随着人口增长、工业革命和经济产出的增加，能源需求已成为全世界面临的一个重大问题。然而，目前全球对化石燃料的过度消费和依赖已经造成了严重的环境问题。例如，如空气污染、全球变暖、酸雨和臭氧层破坏等。此外，这些化石燃料是不可再生的，由于这些资源的大规模消耗，正日益消耗。因此，迫切需要开发替代化石能源的可再生能源。在生物质能、风能、地热能等可再生能源中，太阳能因其易得、用之不竭，是一种很有希望满足全球能源需求的能源。太阳能电池可以直接将阳光转化为电能，具有清洁和可扩展的显著优点。
2、到目前为止，已经开发了三代太阳能技术。第一代太阳能电池是晶体硅基太阳能电池，由贝尔实验室于20世纪50年代发明，其光伏性能为6％。目前，实验室硅基太阳能电池的功率转换效率已达到26％以上，而商用硅基太阳能电池的平均光电转换效率(pce)为22％。然而，硅太阳能电池的生产需要大量的能源，因此在全球范围内限制了其应用。由于厚而硬的晶体硅晶片是制造硅太阳能电池所必需的，为了减少太阳能电池中活性层的厚度，引入了第二代太阳能电池(也称为薄膜太阳能电池)。在薄膜太阳能电池中，活性层由碲化镉(cdte)或铜铟镓二硒化物(cigs)制成，这些材料的活性层厚度减少到只有几十微米。同时，基于砷化镓的薄膜太阳能电池在单结太阳能电池中的效率最高，pce为28.8％。然而，砷化镓材料极其昂贵，因此限制了其进一步应用。
3、第三代太阳能电池包括有机太阳能电池、钙钛矿型太阳能电池、染料敏化太阳能电池和量子点太阳能电池，这些太阳能电池也被称为新兴太阳能电池，目前它们还在研究中。其中，钙钛矿型太阳能电池技术因其高效率、低成本的生产而备受关注。该技术基于甲基铵-卤化铅钙钛矿制备有机-无机混合太阳能电池。钙钛矿型太阳能电池的效率在6年内达到了22％以上，保持了第一个溶液可加工太阳能电池的记录。尽管在几年内取得了令人瞩目的高pce成就，但该技术吸收层的重要组成部分含有铅，易造成环境污染。有研究人员尝试了生产无铅钙钛矿太阳能电池，但这些案例的光伏性能均低于10％。
4、与钙钛矿型太阳能电池相比，有机太阳能电池(osc)是第三代光伏(pv)太阳能电池的另一种很有前途的技术，其吸收层(光活性层)由富电子(施主)和缺电子(受主)半导体等有机半导体组成，具有许多优点，包括成本低、重量轻、环境友好、易于调节的能级和滚动加工。到目前为止，有机太阳能电池的光伏性能在20年内已从1％提高到18％以上。
5、1992年，sariciftci和yoshino等科学家发现，在使用聚合物meh-ppv作为电子供体(d)和c60作为电子受体(a)的混合膜系统中，电子可以通过光诱导在供体和受体之间快速转移。基于这一现象，heeger等人于1993年制备了meh-ppv:c60双层异质结有机太阳能电池。从那时起，c60等富勒烯衍生物电子受体得到了广泛的应用。
6、为了解决激子的有效分离和扩散问题，均匀混合施主和受主制备具有体异质结结构的太阳能电池，这种结构可以有效克服双层异质结结构施主-受主界面有限和激子扩散长度有限的缺点，效率得到了显著提高。目前，体异质结有机太阳能电池是研究人员使用的主要器件结构。体异质结太阳能电池具有溶液处理、重量轻、成本低、灵活性强等优点，尤其是基于富勒烯衍生物受体的体异质结太阳能电池受到了研究人员的广泛关注。富勒烯类衍生物具有高电子迁移率和电子亲和力以及各项异性电荷传输等特点，在体异质结太阳能电池中经常被用作受体材料。但是富勒烯衍生物化学修饰困难而且成本高，对可见光的吸收差，能级调控有限。因此，有必要开发一种新的有机太阳能电池的活性材料。
技术实现思路
1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的体异质结有机太阳能电池的受体材料对可见光吸收差的问题。
2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于苝二酰亚胺的星形受体化合物，该化合物具有式(i)所示结构，
3、
4、其中，在式(i)中，
5、各个r各自独立地选自c10-c25的烷基；
6、r1为c5-c18的烷基。
7、优选地，在式(i)中，
8、各个r各自独立地选自c10-c14的烷基；
9、r1为c10-c15的烷基。
10、优选地，式(i)所示化合物为以下结构的化合物：
11、
12、本发明第二方面提供一种制备式(i)所示的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物的方法，该方法包括以下步骤：在保护气氛存在下，
13、(1)在溶剂i、催化剂i存在下，将式(i-1)所示化合物与三丁基(2-噻吩基)锡进行第一反应，得到式(i-2)所示化合物；
14、(2)在溶剂ii存在下，将所述式(i-2)所示化合物与正丁基锂进行第二反应，再加入三甲基氯化锡进行第三反应；得到式(i-3)所示化合物；
15、(3)在溶剂iii、催化剂ii存在下，将所述式(i-3)所示化合物与式(i-4)所示化合物进行第四反应，得到式(i)所示的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物；
16、
17、其中，在式(i-1)、式(i-2)、式(i-3)、式(i-4)、式(i)中，各个r、r1的定义与第一方面的定义对应相同。
18、优选地，在步骤(1)中，所述式(i-1)所示化合物与所述三丁基(2-噻吩基)锡的用量摩尔比为1：5-7。
19、优选地，在步骤(2)中，所述式(i-2)所示化合物、所述正丁基锂、所述三甲基氯化锡的用量摩尔比为1：3-5：4-6。
20、优选地，在步骤(3)中，所述式(i-3)所示化合物与式(i-4)所示化合物的用量摩尔比为1：4-5。
21、优选地，在步骤(1)中，相对于1mmol的式(i-1)所示化合物，所述溶剂i的用量为20-30ml，所述催化剂i的用量为0.05-0.08mmol。
22、优选地，在步骤(2)中，相对于1mmol式(i-2)所示化合物，所述溶剂ii的用量为95-105ml。
23、优选地，在步骤(3)中，相对于1mmol式(i-3)所示化合物，所述催化剂ii的用量为0.4-0.6mmol，所述溶剂iii为300-350ml。
24、优选地，在步骤(1)中，所述第一反应的条件包括：温度为100-120℃，时间为30-40h。
25、优选地，在步骤(2)中，所述第二反应的条件包括：温度为-80℃至-0℃，时间为0.5-2h。
26、优选地，在步骤(2)中，所述第三反应的条件包括：温度为20-25℃，时间为10-14h。
27、优选地，在步骤(3)中，所述第四反应的条件包括：温度为100-120℃，时间为30-40h。
28、本发明第三方面提供第一方面所述的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物在制备有机太阳能电池中作为受体材料的应用。
29、本发明第四方面提供一种用于有机太阳能电池的活性层的组合物，所述组合物中含有电子供体和电子受体，所述电子受体为第一方面所述的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物。
30、本发明第五方面提供一种有机太阳能电池，所述有机太阳能电池包括阴极、阳极、以及阴极与阳极之间的活性层，所述活性层含有第四方面所述的组合物。
31、优选地，所述有机太阳能电池还包括电子传输层和空穴传输层。
32、本发明提供的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物以咔唑为中心核，该中心核通过噻吩键被四个缺电子pdi(苝二亚胺)单元包围。该化合物的独特分子构型和pdi单元之间的空间排斥作用，使其形成一个类似于螺旋桨型的三维扭曲构型。这种高度扭曲的结构有助于削弱pdi的聚集性。该分子具有良好的溶解性以及与施主聚合物的混合性，紫外-可见光谱吸收范围宽。这些pdi化合物易于改性，合成成本低，并且很容易根据施主聚合物改变能带隙。
1.一种基于苝二酰亚胺的星形受体化合物，其特征在于，该化合物具有式(i)所示结构，
2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，在式(i)中，
3.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，式(i)所示化合物为以下结构的化合物：
4.一种制备式(i)所示的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：在保护气氛存在下，
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述式(i-1)所示化合物与所述三丁基(2-噻吩基)锡的用量摩尔比为1：5-7；和/或
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，相对于1mmol的式(i-1)所示化合物，所述溶剂i的用量为20-30ml，所述催化剂i的用量为0.05-0.08mmol；和/或
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述第一反应的条件包括：温度为100-120℃，时间为30-40h；和/或
8.权利要求1-3中任意一项所述的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物在制备有机太阳能电池中作为受体材料的应用。
9.一种用于有机太阳能电池的活性层的组合物，其特征在于，所述组合物中含有电子供体和电子受体，所述电子受体为权利要求1-3中任意一项所述的基于苝二酰亚胺的星形受体化合物。
10.一种有机太阳能电池，其特征在于，所述有机太阳能电池包括阴极、阳极、以及阴极与阳极之间的活性层，所述活性层含有权利要求9所述的组合物；
