一种新型聚合物电子受体材料及其制备方法与在聚合物太阳电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一种新型聚合物电子受体材料及其制备方法与在聚合物太阳电池中的应用。以苯并[1,2‑b:4,5‑b']二噻吩‑4,8‑二酮为原料，在4,8号位上引入三异丙基硅基乙炔基官能团，再在2,6号位引入功能性侧基，最后脱去三异丙基硅基得到2,6‑二R基‑4,8‑二乙炔基苯并[1,2‑b:4,5‑b']二噻吩。上述单体与萘二酰亚胺进行金属催化偶联得到所述的有机半导体材料，可作为聚合物电子受体材料应用于有机光伏器件。该新型聚合物电子受体材料具有很好的平面性、强且宽的吸收光谱、合适的电子能级结构，这类材料表现出不错的光伏器件性能，具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种新型聚合物电子受体材料及其制备方法与在聚合物太阳电池中的应用
本专利技术属于有机光电材料
，具体涉及一种新型聚合物电子受体材料及其制备方法与在聚合物太阳电池中的应用。
技术介绍
自从邓青云博士及其团队于1987年发表关于双层有机电子发光器件的研究论文后，有机电子材料在发光平板显示、太阳能电池、场效应晶体管以及生物与化学传感器等多个光电领域的研究热度持续走高，并由此进入有机光电材料及其器件的发展爆发期。与此同时，由于两次石油危机的爆发，以及环境污染与化石能源过度依赖使世界各国的环境与资源的承受能力迫近极限，可再生能源的发展成为全人类可持续发展战略的重中之重。鉴于太阳能利用具有便携性、清洁性、长久性和不受地域限制等优点，成为了各国可再生能源研究的热点。在1995年，以聚合物为电子给体材料和电子受体材料的体异质结有机太能电池被首次报道后，聚合物体异质结太阳电池器件成为日后有机光伏器件的研究主流。相对于以单晶硅板为代表的无机光伏器件，有机太阳电池具有柔韧性、溶液可加工性、原料丰富、制备成本低等优点。随着近年来有机太阳电池材料开发能力和器件优化技术的突飞猛进，光电能量转换效率从最初的不到1％到超过14％，显示出巨大的工业化和市场化潜力。在目前的有机光伏器件制备中，常用的电子受体材料主要分为富勒烯型和非富勒烯型两大类。相对于前者，后者的制备成本更低、提纯难度更低，而且具有更好的化学结构和电子能级结构的修饰能力。除此之外，非富勒烯型受体材料具有更好的光氧稳定性、热稳定性和机械稳定性，满足长期户外工作的需求。在聚合物型非富勒烯系受体材料的设计当中，为提高大分子的能级调节能力和电子云密度、以便获得更好的光谱吸收和载流子传输性能，普遍采用电子给体单元(D)和电子受体单元(A)交替共聚的D-A型结构。其中萘二酰亚胺(NDI)电子受体结构单元是目前研究最多、应用最广的结构单元材料。NDI结构单元由于具有大共轭平面结构，可进行有效的分子内π电子离域，并且产生有效的分子间π-π作用。此外当中的两个具有强吸电子能力的酰亚胺基团，赋予NDI优秀的电子亲和性和较深的HOMO能级(约3.9eV)。目前全聚合物太阳电池器件可获得最高为11％的光电转换效率，其使用的正是NDI型聚合物受体材料N2200。为了改良NDI型聚合物受体材料的性能表现，提高基于NDI的全聚合物太阳电池的光电转换效率等品质参数，目前常用的改性方法有：(1)通过NDI结构上的N-烷基化反应引入不同的功能性侧基，改善NDI型聚合物的溶剂加工性和结晶能力；(2)在NDI的2,6号位上引入芳香性稠环来延展聚合物的共轭体系，从而改善NDI型聚合物的电子结构、吸收特性和堆积行为；(3)通过改变参与共轭的D单元的数目或种类，来改善NDI型聚合物的光电特性。基于苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩(BDT)给体单元的聚合物给体材料是目前高效有机太阳电池器件制备的明星材料。考虑到BDT给体结构单元的成功性，本专利利用2,6-二R基-4,8-二乙炔基苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩作为NDI型聚合物的给体结构单元，构建一系列新型NDI型聚合物受体材料。乙炔撑作为BDT和NDI的π桥单元，可提高分子链的刚性和结构线性，降低分子链的构象翻转能力，增强分子间的有效堆积。而乙炔撑的弱吸电子能力可进一步增强NDI型聚合物受体的亲电子能力，提高电子传输性能。BDT结构单元以4,8位与NDI单元进行共轭偶联，可有效延伸分子链在离轴方向上的共轭体系，增强分子链的二维有序密堆积，进一步增强电子迁移率，而且BDT的2,6位可引入功能性侧基，进一步改善聚合物材料的溶剂加工性。实验表明，含BDT和乙炔撑的NDI型聚合物受体材料是一种性能良好的有机光伏材料。
技术实现思路
为了解决目前全聚合物太阳电池器件效率还比较低的问题，本专利技术的首要目的在于提供一种高性能的聚合物电子受体材料，提高材料的吸收系数，有利于提高器件的短路电流密度，有望得到更好的器件性能。本专利技术的另一目的在于提供上述聚合物电子受体材料的设计思路。本专利技术的再一目的在于提供上述聚合物电子受体材料在有机光电转换器件中的应用。一种新型聚合物电子受体材料，所述聚合物材料结构式如下所示：其中，R1为氢或具有1-30个碳原子的烷基；R2为氢或具有1-30个碳原子的烷基；R2为含有共轭单元的侧链基团；所述侧链基团为苯、萘、噻吩、并噻吩、硒吩、碲吩、呋喃、吡咯、吡啶、噻咯、噻唑、恶唑、三唑及它们的衍生物中的任意一种。优选地，n为聚合物半导体材料的聚合度，n为1到10000的自然数。优选地，所述烷基链R1为具有1-30个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基取代，氢原子被卤原子或上述官能团取代。优选地，所述侧链基团R2为具有1-30个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基取代，氢原子被卤原子或上述官能团取代。优选地，所述侧链基团R2为含有共轭单元的侧链基团，其所述含有共轭单元的侧链基团选自以下未取代或取代的结构：上述结构式中的R为氢或具有1-30个碳原子的烷基，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基取代，氢原子被卤原子或上述官能团取代。一种新型聚合物电子受体材料的制备方法，包括如下步骤：(1)三异丙基硅基乙炔经过正丁基锂的脱端位氢处理，与苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-4,8-二酮进行偶联，生成二(三异丙基硅基乙炔基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩，然后经过2,6号位的功能性侧基的引入，生成多种2,6-二R基-4,8-二(三异丙基硅基乙炔基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩，最后使用氢氧化钾脱去三异丙基硅，得到2,6-二R基-4,8-二乙炔基苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩；(2)金属催化偶联反应：将含有金属催化偶联反应活性基团的萘二酰亚胺与2,6-二R基-4,8-二乙炔基苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩在金属催化剂催化下反应，制备一系列含2,6-二R基-4,8-二乙炔基苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩的萘二酰亚胺型聚合物。通过核磁共振(NMR)、质谱(MS)、凝胶渗透色谱(GPC)等表征了单体与聚合物材料的结构，通过循环伏安法获得了有机半导体材料的电化学性质,通过紫外吸收可见光谱仪测试了光谱性质。同时将聚合物作为活性层受体材料制备成有机光伏器件,对其光电转换性能进行表征,研究其在太阳能电池中的应用。所述聚合物电子受体材料在有机光电器件中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：(1)用给电子能力和共平面性更强的含二炔基苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩作为给体单元，可提高给体结构单元与萘二酰亚胺受体结构单元电子偶合作用，延展分子链沿轴方向和离轴方向的共轭体系，促进分子链之间的二维有序密堆积，提高材料的电子迁移率，从而获得更好的光电转换性能。(2)乙炔撑π桥的引入增强分子的刚性和共平面性，提高分子链的结晶能力。另外含乙炔撑单体在聚合过程中不含锡和硼等金属催化偶联活性基团，从而便本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型聚合物电子受体材料，其特征在于，所述聚合物材料结构式如下所示：

【技术特征摘要】
1.一种新型聚合物电子受体材料，其特征在于，所述聚合物材料结构式如下所示：其中，R1为氢或具有1-30个碳原子的烷基；R2为氢或具有1-30个碳原子的烷基；R2为含有共轭单元的侧链基团；所述侧链基团为苯、萘、噻吩、并噻吩、硒吩、碲吩、呋喃、吡咯、吡啶、噻咯、噻唑、恶唑、三唑及它们的衍生物中的任意一种。2.根据权利要求1所述新型聚合物电子受体材料，其特征在于，n为聚合物半导体材料的聚合度，n为1到10000的自然数。3.根据权利要求1所述新型聚合物电子受体材料，其特征在于，所述烷基链R1为具有1-30个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基取代，氢原子被卤原子或上述官能团取代。4.根据权利要求1所述新型聚合物电子受体材料，其特征在于，侧链基团R2为具有1-30个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，其中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基取代，氢原子被卤原子或上述官能团取代。5.根据权利要求4所述新型聚合物电子受体材料，其特征在于，所述侧链基团R2为含有共轭单元的侧链基团，其所述含有共轭单元的侧链...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄飞，梁一鸣，谢锐浩，曹镛，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44