一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料、制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料、制备方法和应用，结构式如下：

A photovoltaic material containing chlorobenzodifuran and pyrazine copolymer, its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料、制备方法和应用
本专利技术涉及聚合物光伏材料
，具体涉及一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料、制备方法和应用。
技术介绍
随着地球变暖现象的日益严重和化石能源(煤、石油和天然气等)面临枯竭，世界各国对二氧化碳的排放量均采取严格的管制。因此，太阳能作为一种可再生清洁能源越来越得到全球科学界和产业界的重视。聚合物太阳电池作为新型太阳电池的一类，近二十年来以其特有的器件质量轻和可使用印刷的方式制备成大面积柔性器件等优势取得了快速的发展，成为当前全球能源领域研究的热点之一。聚合物太阳能电池材料的研究进展，李永玺等，功能高分子学报，2014年12月，描述了D-A体系的各种典型的材料的结构式，还描述了给体聚合物材料的设计主要包括以下几个方面：(1)通过调控聚合物材料的能级和带隙来获得较高的开路电压和短路电流；(2)提高聚合物材料的平面性来增加其电荷迁移率，但是在该过程中，要确保材料的溶解性和稳定性。这些因素相互关联，理想状态下，应该对这些因素同时优化，但是实际上这是十分困难的。因此，找到一个平衡点使电池取得最大光电转化效率，是材料化学家设计聚合物给体材料的关键。在设计有机太阳能电池聚合物材料的过程中，要遵循以下几个原则：(1)聚合物应具有较窄的能带间隙；(2)较高的摩尔消光系数；(3)良好的平面性；(4)高的电荷迁移率；(5)较好的光稳定性。同时，较高的分子量、较高的电荷迁移率、最优化的形貌、填充因子等等都可以影响材料的性能。通常来说，共轭聚合物的结构可以被分为以下3个部分：共轭聚合物主链、侧链和取代基团。还公开了不同能带间隙的聚合物电池材料的常见化合物。当前阻碍双结电池的发展最重要的问题之一是缺少高性能、低带隙的优良聚合物材料。为了解决这个问题，一种方法是增加聚合物主链的醌式结构，来获得窄带隙聚合物。醌式聚合物通常是由2个或2个以上的不同芳香性化合物并联在同一个结构单元上所组成的。它将采用共振能较大的芳香性结构，从而使另一芳香性结构采用醌式结构。由于苯环的共振能(1.56eV)大于噻吩的共振能(1.26eV)，噻吩单元将采用醌式结构。因为醌式结构的共振能较芳香性结构低，所以采用醌式结构可以有效降低聚合物的能带间隙。聚苯并噻吩的能带间隙只有1.1eV，聚噻吩并哌嗪的能带间隙为0.95eV，而聚噻吩并噻吩的能带间隙只有0.8-0.9eV。虽然这类聚合物能带间隙极小，但是这种方法在制备窄带隙聚合物太阳能电池材料的过程中有其局限性，因为这类聚合物的HOMO能级通常较高，因此基于它们的太阳能电池器件的开路电压很小，极大地限制了光电转化效率的提高。中国专利申请号为201510807862.X的专利公开了光伏薄膜材料，其为吲哚衍生物与苯并二噻吩双锡共聚物，结构式如下：这种化合物的光电转换效率不够高，限制了此类物质的应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料、制备方法和应用，其具有宽的可见光区吸收，较低的HOMO能级，相对较窄的带隙，以及较高的光电转换效率。本专利技术的内容为一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料，结构式如下：其中R为烷基。所述含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料的数均分子量为11000-24000，重均分子量为25000-45000，PDI为1.8-2.6。所述R为8～20个碳原子的直链或支链烷烃。所述R为取代基：一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料的制备方法，包括以下步骤：1)1,4-二乙酰基哌嗪-2,5-二酮、5-溴-2-呋喃甲醛和有机溶剂混合，加入三乙胺，反应，冷却，沉析，过滤，洗涤，得到3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮；2)3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮、碳酸钾与溴代烷烃在有机溶剂混合，升温，反应后冷却，将混合物进行萃取，干燥，分离，得到2,5-二烷氧基-3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)吡嗪；3)将2,6-二(三甲基锡)-4,8-二(4-氯-5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)-苯并(1,2-b:4,5-b’)二呋喃与2,5-二烷氧基-3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)吡嗪加入到无水甲苯中，再加入四(三苯基膦)钯，反应后冷却，沉析，过滤，提取，得到含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料。步骤1)中1,4-二乙酰基哌嗪-2,5-二酮与5-溴-2-呋喃甲醛的摩尔比为1:2～3。步骤2)中所述溴代烷烃为溴代异辛烷、溴代辛烷或溴代2-辛基-十二烷，3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮与溴代烷烃的摩尔比为1:3～4。步骤3)中反应温度为100～115℃。一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料在太阳能电池中的应用，所述含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料用作太阳能电池中作为电子给体材料。在本专利技术中，当R为时，合成的目标聚合物为4,8-二(4-氯-5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃-2,5-二异辛氧基-3,6-双(呋喃-2-亚甲基)吡嗪(P1)。当R为时，合成的目标聚合物为4,8-二(4-氯-5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃-2,5-二辛氧基-3,6-双(呋喃-2-亚甲基)吡嗪(P2)。当R为时，合成的目标聚合物为4,8-二(4-氯-5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃-2,5-二(2-辛基十二烷氧基)-3,6-双(呋喃-2-亚甲基)吡嗪(P3)。本专利技术的共聚物具有良好的可加工性，并且经过初步尝试证明具有较好的光电转换特性，作为聚合物太阳能电池的工作介质有着广阔的应用前景。具体的，本专利技术的制备方法，包括以下步骤：1)氩气保护下，1,4-二乙酰基哌嗪-2,5-二酮与5-溴-2-呋喃甲醛混合在DMF中，在120℃下加入三乙胺，反应12小时，冷却至室温，沉析，过滤，洗涤，得到3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮；2)氩气保护下，3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮、碳酸钾与溴代烷烃在DMF中升温至100℃下反应2小时，冷却至室温，将混合物倒入水中，萃取，干燥，旋干溶剂，过硅胶柱，得到2,5-二烷氧基-3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)吡嗪；3)氮气保护下，将2,6-二(三甲基锡)-4,8-二(4-氯-5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃与2,5-二烷氧基-3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)吡嗪加入到无水甲苯中，再加入Pd(PPh3)4(四(三苯基膦)钯)，110℃下反应24小时，冷却至室温，沉析，过滤，索氏提取，得到聚合物(Ⅰ)；其中，3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮的结构式如下式(1)所示：2,5-二烷氧基-3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)吡嗪的结构式如下式(2)所示：2,6-二(三甲基锡)-4,8-二(4-氯-5-(2-乙基己基)噻吩-2-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃的结构式如下式所示：本专利技术目标化合物(Ⅰ)的合成路线如下：i)NEt3，DMF，120℃，12h；ii)RBr,K2CO3，DM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料，其特征是，结构式如下：

【技术特征摘要】
1.一种含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料，其特征是，结构式如下：其中R为烷基。2.如权利要求1所述的含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料，其特征是，所述含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料的数均分子量为11000-24000，重均分子量为25000-45000，PDI为1.8-2.6。3.如权利要求1所述的含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料，其特征是，所述R为8～20个碳原子的直链或支链烷烃。4.如权利要求1所述的含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料，其特征是，所述R为取代基：5.一种如权利要求1-4任一项所述的含氯苯并二呋喃和吡嗪共聚物光伏材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)1,4-二乙酰基哌嗪-2,5-二酮、5-溴-2-呋喃甲醛和有机溶剂混合，加入三乙胺，反应，冷却，沉析，过滤，洗涤，得到3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮；2)3,6-双((5-溴呋喃-2-)亚甲基)哌嗪-2,5-二酮、碳酸钾与溴代烷烃在有机溶剂混合，升温，反应后冷却，将混合物进行萃取，干燥，分离，得到2,5-二烷氧基-3,6-双((5-溴...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，王晓波，王钢，刘骏，何敏，胡霞，陈远道，王菲菲，
申请(专利权)人：湖南文理学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43