本发明专利技术属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于２－吡喃－４－亚基丙二氰为受体的给受体共轭聚合物及该共轭聚合物在体异质结太阳能电池中的应用。本发明专利技术提供了一系列可以通过选择不同的给体单元与２－吡喃－４－亚基丙二氰（受体）共聚，同时在共聚的给受体单元之间引入高共平面性的受体基团（如苯并噻二唑）对带隙及迁移率进一步调节，从而实现低ＨＯＭＯ能级（高开路电压和高稳定性）、窄带隙、宽吸收、高迁移率的给受体共轭聚合物太阳能电池材料，并将此类共轭聚合物用于制备太阳能电池，可以获得较高开路电压和光电转换效率的器件，并且器件制备工艺简单，容易重复，有利于器件工业化批量生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能电池
，具体涉及一种基于2-吡喃-4-亚基丙二氰 为受体的给受体共轭聚合物及该共轭聚合物在体异质结太阳能电池中的应用。
技术介绍
随着煤、石油等一次能源的逐渐枯竭，人类迫切需求环境友好的可再生能源。 太阳能电池可将太阳能直接转换为电能，是利用太阳能的最有效方式。自1954年在美国贝尔实验室成功研制出来第一块单晶硅太阳能电池以来， 开启了人类利用太阳能发电的一扇大门。1958年太阳能电池首先在航天器上得 到应用。20世纪70年代初，太阳能电池开始在地面应用。但制备工艺繁杂、成 本高、对环境污染严重等，在一定程度上限制了基于硅材料的太阳能电池的更广 泛应用。近年来，基于有机聚合物材料的太阳能电池因其制备工艺简单(旋涂、喷墨 打印等)，且具有面积大、廉价、柔性等优点，而倍受人们的关注。有机太阳能电池的研究始于1959年，其结构为单晶蒽夹在两个电极之间， 器件的开路电压为200mV，但光电转换效率很低。邓青云博士于1986年报道的 双层结构太阳能电池(以酞菁衍生物作为p型半导体，以四羧基茈衍生物作为n 型半导体，形成双层异质结结构，其光电转换效率约为1%)，开创了有机太阳 能电池研究的新纪元。该研究首次将电子给体(p型)/电子受体(n型)有机双层异质 结的概念引入了太阳能电池，并解释了电池效率高的原因是由于光致激子在双层 异质结界面的诱导解离效率较高。1992年，HeegerA.丄和YoshinoK.等人发现，共轭聚合物作为电子给体 (Donor，简写D)， C6o作为电子受体(Acc印tor，简写A)的共混体系，在光诱导下可发生快速电荷转移，且该过程的速率远远大于其逆向过程。原因是C6()是一个很大的共轭系统，电子在由60个碳原子组成的分子轨道上处于离域状态，因此 可以稳定外来电子。这一发现，使聚合物太阳能电池的研究成为新的研究热点。Heeger A.丄等以聚合物MEH-PPV做给体、C6o衍生物PCBM作为受体的共 混材料体系做为活性层制备的体异质结太阳能电池，由于大大增加了给受体之间 的界面，激子解离效率提高，电池的光电转换效率进一步提高，在20mW/cm2， 430nm的单色光照射下，能量转换效率达到2.9。/。。由于一些性能优良的聚合物太阳能电池材料的发现和器件结构的不断优化，5有机聚合物太阳能电池的研究已经取得了突破性进展。目前，高规整度的聚噻吩衍生物(rr-P3HT)作为给体，PCBM作为受体，在质量掺杂比为1:1的情况下，通过对活性层进行热退火或溶剂退火处理，电池的能量转换效率己经超过5%。 具有给受体结构的共轭聚合物由于可以通过引入不同的给受体基团，来调节聚合物的共平面性、分子内电荷转移(ICT)强度，从而调节聚合物的吸收性质、 能级结构以及载流子迁移率等，而成为聚合物太阳能电池材料的新宠(专利U.S. PUB. APR NO. 20090084444)。如很多聚合物太阳能电池材料的报道涉及以噻 并吡嗪和苯并噻二唑为受体的给受体聚合物，但是由于其较高的HOMO能级(导 致较低的开路电压《.6V和在空气中较差的稳定性)，限制了其太阳能电池性能 的进一步提高。因此开发具有低HOMO能级(高开路电压和高稳定性)、窄带隙、 宽吸收、迁移率高的给受体太阳能电池材料是材料研究领域的重要任务。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一系列可以通过选择不同的给体单元与2-吡喃-4-亚基 丙二氰(受体)共聚，同时在共聚的给受体单元之间引入高共平面性的受体基团 (如苯并噻二唑)对带隙及迁移率进一步调节，从而实现低HOMO能级(高开 路电压和高稳定性)、窄带隙、宽吸收、高迁移率的给受体共轭聚合物太阳能电 池材料，并将此类共轭聚合物用于制备太阳能电池。使用本专利技术所述的材料，可以简化器件制备工艺，以适应器件的工业化批量 生产需要。经研究发现，以2-吡喃-4-亚基丙二氰为受体的给受体共轭聚合物具有优良 的太阳能电池性能。本专利技术所述的基于2-吡喃-4-亚基丙二氰的给受体共轭均聚合物如通式(I) 所示通式(I)代表以2-吡喃-4-亚基丙二氰为受体的给受体共轭聚合物的基本结 构骨架，D代表3， 4-二正烷基(C6-C12)噻吩、对二正烷氧基(C6-C12)苯、 10-正垸基(C6-C12)吩噻嗪、9-正烷基(C6-C12)咔唑、三苯胺。DM戈表噻吩、 连二噻吩、三连噻吩、9， 10-二垸基(C6-C12)芴、10-正烷基(C6-C12)吩噻 嗪、N-正烷基(C6-C12) 二噻吩并吡咯环、4， 4-二正垸基(C6-C12) 二噻吩并环戊二烯、二垸氧基(C6-C12)苯并二噻吩；其中n为正整数，表示碳原子和氢原子的个数。其示例分子式如下所示，<formula>formula see original document page 7</formula>其中12^1^6，即碳原子的个数为6到12，氢原子的个数为13到25。制备2-吡喃-4-亚基丙二氰共轭均聚物按如下反应模式1进行:反应模式1:<formula>formula see original document page 7</formula>反应模式1中，含2-吡喃-4-亚基丙二氰的双溴单体和化合物0*的双硼化或 者双锡化单体在甲苯^^酸钾(K2C03)或者甲苯/N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液 中，以四三苯基膦钯(Pd(PPh3)4)为催化剂，在加热条件下发生Suzuki或者 Stille反应，可获得目标化合物(l)。其中n表示聚合物的聚合度。进一步地，当D为取代噻吩，D^为取代芴时，其结构式如下所示，<formula>formula see original document page 8</formula>R为位于噻吩和芴对位的C6-C12的烷基。为了进一步对带隙以及迁移率进行调节，在如式(I)所示均聚物中引入苯 并噻二唑，合成以2-吡喃4-亚基丙二氰和苯并噻二唑为受体的给受体嵌段共聚 物，如式(II)所示<formula>formula see original document page 8</formula>通式(II)代表以2-吡喃-4-亚基丙二氰和苯并噻二唑为基本结构骨架的嵌段 共聚物。a代表共聚物中以2-吡喃-4-亚基丙二氰为基本结构单元的单体的比例， b代表共聚物中以苯并噻二唑为基本结构单元的单体比例，其中a+b = 1， a的 取值为0.1~0.9。制备2-吡喃-4-亚基丙二氰，苯并噻二唑为受体的给受体嵌段共 聚物按如下反应模式2进行。反应模式2:甲苯,DMF, 120°C,48hJ反应模式2中，通过选择不同比例的含2-吡喃-4-亚基丙二氰的双溴单体和4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑单体与双硼化或者双锡化单体0*在甲苯/1<2(:03或者 甲苯/DMF溶液中，以Pd(PPh3)4为催化剂，在加热条件下发生Suzuki或者Stille 反应，可获得目标聚合物(ll)。进一步地，当D为取代噻吩，D^为取代芴时，其结构式如下所示，R为位于噻吩和芴对位的C6-C12的垸基。本专利技术中，如式(I)所示的2-吡喃-4-亚基丙二氰给本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种以２－吡喃－４－亚基丙二氰为受体的给受体共轭聚合物，其结构式如下所示： ＊＊＊ 其中，Ｄ为 ＊＊＊ Ｄ↑［＊］为 ＊＊＊。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：田文晶，李耀文，薛丽丽，徐斌，李慧，李在房，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]
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