基于苯并二噻吩‑2,6‑二甲酸酯的D‑A型宽带隙聚合物光伏材料及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一类基于苯并二噻吩‑2,6‑二甲酸酯受体单元的D‑A型宽带隙聚合物光伏材料的合成，以及它们在聚合物光伏器件中的应用。其中，D‑A型宽带隙聚合物材料的推电子(D)单元为噻吩、苯并二噻吩及其衍生物，受电子(A)单元为苯并二噻吩‑2,6‑二甲酸酯。这类宽带隙聚合物可作为供体材料广泛应用于溶液加工型聚合物太阳能电池(PSCs)器件。当器件的受体材料为富勒烯时，其本体异质结聚合物太阳能电池器件的最大能量转化效率和开路电压分别高达7.49％和1.03V。本发明专利技术实现了宽带隙聚合物光伏材料在PSCs中的高效能量转换。

D type A wide bandgap polymer photovoltaic materials and two 2,6 thiophene benzene two formic acid ester and its application based on

The synthesis of D type A wide bandgap polymer photovoltaic material of the present invention relates to a kind of benzene and thiophene based on two 2,6 two carbamate receptor unit, as well as their applications in polymer in photovoltaic devices. Among them, D A electronic band gap polymer (D) unit for thiophene, benzene and two thiophene and its derivatives, the electronic unit (A) for benzene and two 2,6 two thiophene carboxylic acid ester. Such broad band gap polymers can be widely used as donor materials for solution processing polymer solar cell (PSCs) devices. When the acceptor material of the device is fullerene, the maximum energy conversion efficiency and open circuit voltage of the bulk heterojunction solar cell device are as high as 7.49% and 1.03V, respectively. The invention realizes high-efficiency energy conversion of wide band gap polymer photovoltaic material in PSCs.

【技术实现步骤摘要】
基于苯并二噻吩-2,6-二甲酸酯的D-A型宽带隙聚合物光伏材料及其应用
本专利技术涉及有机聚合物太阳能电池领域，特别涉及了一类基于苯并二噻吩-2,6-二甲酸酯受电子单元的D-A型宽带隙聚合物光伏材料的合成及其在聚合物太阳能电池器件中的应用。技术背景经济社会的发展离不开能源。当今在化石能源日益匮乏和环境亟待保护的双重制约下，能源和环境问题已成为全球迫切需要解决的重点和难点问题。由于太阳能具有取之不尽、用之不竭，安全、无污染、没有地域限制等无可比拟的优势，太阳能的开发与应用，已成为全球绿色新能源研究的热点。其中，将太阳能转换成电能的太阳能电池技术是近年来太阳能开发与应用的重点研究方向。有机太阳能电池(OSCs)由于具有材料选择范围宽、结构易调节、制备工艺简单、器件易大面积柔性化等优点，已成为太阳能电池技术的主要发展方向，并获得快速的发展[1-6]。目前有机太阳能电池主要包括聚合物太阳能电池(PSCs)和有机小分子太阳能电池(SMs-OSCs)。其中，基于聚合物和小分子的本体异质结(BHJ)单层OSCs的能量转化效率分别达到了11.7％[7]和10.08％[8]，基于聚合物和小分子的叠层OSCs的能量转化效率分别达到了11.83％[9]和10.1％[10]。纵观这些高效的有机太阳能电池，其光活性材料主要是采用窄带隙的共轭聚合物和小分子，以最大程度地吸收太阳光子，获得高的短路电流(Jsc)。相比于窄带隙(Eg<1.8eV)光伏材料，宽带隙(Eg>1.9eV)光伏材料的研究相对滞后，其太阳能电池的能量转化效率大都低于7％[11]。叠层有机太阳能电池是利用两种或以上光伏供体材料对太阳能吸收的优势互补，构筑的高效太阳能电池。其中，宽带隙共轭聚合物是其重要的组成部分。因此，开发高效宽带隙聚合物光伏材料，是叠层有机太阳能电池实现高能量转换效率的关键和拟解决的关键瓶颈问题[12]。附：主要参考文献[1].C.W.Tang,Appl.Phys.Lett.,1986,48,183.[2].B.O’Regan,M.Nature,1991,353,737.[3].H.Kallmann,M.Pope,J.Chem.Phys.,1959,30,585.[4].G.Yu,A.J.Heeger,Science,1995,270,1789.[5].(a)W.Li,C.Du,F.Li,Y.Zhou,M.Fahlman,Z.Bo,F.Zhang,Chem.Mater.,2009,21,5327.(b)G.Zhao,G.Wu,C.He,F.-Q.Bai,H.Xi,H.-X.Zhang,Y.Li,J.Phys.Chem.C,2009,113,2636.(c)J.Zhang,W.Z.Cai,F.Huang,E.G.Wang,C.M.Zhong,S.J.Liu,M.Wang,C.H.Duan,Y.Cao,Macromolecules,2011,44,894.(d)J.Chen,Y,Cao.,Acc.Chem.Res.,2009,42,1709.(e)L.J.Huo,X.Guo,S.Q.Zhang,Y.F.Li,J.H.Hou,Macromolecules,2011,44,4035.(f)Z.F.Li,Q.F.Dong,B.Xu,W.D.Cheng,S.Y.Yao,X.Y.Zhang,S.P.Wen,H.Li,Y.J.Dong,W.J.Tian,Sol.Energ.Mat.Sol.Cells,2012,98,343.[6].Y.M.Sun,G.C.Welch,W.L.Leong,C.J.Takacs,G.C.Bazan,A.J.Heeger,Nat.Mater.,2012,11,44.[7].J.B.Zhao,Y.K.Li,G.F.Yang,K.Jiang,H.Lin,H.Ade,W.Ma,H.Yan,Nat.Energy,2016,1,15027.[8].B.Kan,M.Li,Q.Zhang,F.Liu,X.Wan,Y.Wang,W.Ni,G.Long,X.Yang,H.Feng,Y.Zuo,M.Zhang,F.Huang,Y.Cao,T.P.Russell,Y.Chen,J.Am.Chem.Soc.,2015,137,3886-3893.[9].A.R.M.Yusoff,D.Kim,H.P.Kim,F.K.Shneider,W.J.Silv,J.Janga,EnergyEnviron.Sci.,2015,8,303-316.[10].Y.Liu,C.C.Chen,Z.Hong,J.Gao,Y.(M.)Yang,H.Zhou,L.Dou,G.Li,Y.Yang,Sci.Rep.,2013,3,3356-3356.[11].(a)S.C.Price,A.C.Stuart,L.Yang,H.ZhouandW.You,J.Am.Chem.Soc.,2011,133,4625–4631.(b)J.Wolf,F.Cruciani,A.E.LabbanandP.M.Beaujuge,Chem.Mater.,2015,27,4184–4187.(c)W.Gao,T.Liu,M.Hao,K.Wu,C.Zhang,Y.Sun,C.Yang,Chem.Sci.,2016,DOI:10.1039/c6sc01791f.[12].(a)K.Li,Z.Li,K.Feng,X.Xu,L.WangandQ.Peng,J.Am.Chem.Soc.,2013,135,13549–13557.(b)C.Duan,A.Furlan,J.J.V.Franeker,R.E.M.Willems,M.M.WienkandR.A.J.Janssen,Adv.Mater.,2015,27,4461–4468.
技术实现思路
针对目前宽带隙光伏材料品种少、能量转换效率偏低等问题，专利技术了一类新型的苯并二噻吩-2,6-二甲酸酯受电子(A)单元及其D-A型宽带隙聚合物光伏材料。该类材料的分子结构特点是以苯并二噻-2,6-二甲酸酯为受电子(A)单元，噻吩、苯并二噻吩衍生物为推电子(D)单元。利用这类D-A型聚合物光伏供体材料和富勒烯受体材料，通过溶液加工，制作了聚合物太阳能电池(PSCs)，实现了宽带隙聚合物光伏材料在PSCs中的高效能量转换。本专利技术的目的在于提供一类具有高能量转换效率的宽带隙D-A型聚合物光伏材料。该类材料具有较低的HOMO能级，较好的成膜性，在300-600nm波长范围具有较强的吸收和光谱响应。当与PC71BM共混时，其溶剂加工型本体异质结PSCs器件获得了高的能量转化效率(PCE)和开路电压(Voc)。这类D-A型聚合物光伏材料的分子结构可以是下列分子的任何一种。式一：PV-BDTC1式二：PV-BDTC2式三：PV-BDTC3T式四：PV-BDTC3TO上述D-A型宽带隙聚合物光伏材料，包括下面任何衍生物：以苯并二噻吩-2,6-二甲酸酯(V-BDTC)为受电子基团，烷氧基取代的苯并二噻吩(BDT)为推电子基团，具有D-A结构的聚合物光伏材料PV-BDTC1。以苯并二噻吩-2,6-二甲酸酯(V-BDTC)为受电子基团，烷基噻吩基取代的苯并二噻吩(BDTT)为推电子基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类基于苯并二噻吩‑2,6‑二甲酸酯受电子单元的D‑A型宽带隙聚合物光伏材料，其特征在于具有式I所示的分子结构。式I：

【技术特征摘要】
1.一类基于苯并二噻吩-2,6-二甲酸酯受电子单元的D-A型宽带隙聚合物光伏材料，其特征在于具有式I所示的分子结构。式I：其中，D为基团中一种；R独立地选自C8～C16烷基中一种；R’为H或独立地选自C6～C16烷基中一种。2.如权利要求1式I所述的D-A型宽带隙聚合物光伏材料，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱卫国，陶强，谭华，王亚飞，
申请(专利权)人：常州大学，湘潭大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32