[发明专利]基于苝酰亚胺和芳香炔的聚合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于有机光电功能材料技术领域，具体为一种基于苝酰亚胺和芳香炔的新型聚合物及其制备方法，以及该聚合物在有机太阳能电池、有机/高分子电致发光二极管、分子自组装等方面的应用。

技术背景

苝酰亚胺系化合物是一类新型的有机光电功能染料，由于其吸收光谱范围宽、荧光量子效率高、光热稳定性能好等特点，在有机太阳能电池、有机/高分子电致发光二极管、分子自组装等光电子分子器件领域受到了众多研究者的重视；尤其在能量转化研究方向，近年来有较大的进展。苝酰亚胺类衍生物具有大的共苯环平面结构和两个亚胺环结构，所以分子具有较高的电子亲和势，是一种非常好的n型材料。1997年，R.H.Friend小组首次将苝酰亚胺衍生物引入到异质结有机太阳能电池中，通过将苝酰亚胺蒸镀到对苯乙烯撑(PPV)上制备的光伏电池在490nm单色光的照射下光电转换效率(IPCE)达到4.9％，填充因子达到0.6，开路电压1V(Synthetic metal，1997，85(1-3)：1307-1308)。目前，苝酰亚胺作为一种n型材料在有机太阳能电池等领域已经得到广泛的应用。苝酰亚胺衍生物的光生电荷效率可达95％，在保持化合物光生电荷效率的前提下，如何来拓宽其光谱吸收范围，提高苝酰亚胺衍生物分子体系内光激电荷的分散和分子电荷分离体的寿命，是苝酰亚胺衍生物应用于能量转化研究中需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可拓宽苝酰亚胺衍生物光谱吸收范围、提高其光激电荷和分子电荷分离体寿命的聚合物及其制备方法和应用。

本发明重点开展有机光电功能材料分子内或分子间能量传递的研究，从新型的材料结构设计入手，探索解决以上问题的新途径。本发明是将电子给体(Donor)——苯炔或芴炔通过Sonogasira偶联反应连接到电子受体(Acceptor)——苝酰亚胺的酰胺或“bay”位置，得到Donor-Acceptor结构的交替共聚物。同时引入芳香炔结构有利于拓宽材料的光谱吸收范围和光生电荷的传输。荧光光谱和激发光谱表明的确存在分子内或分子间的能量传递。

本发明的核心在于将电子给体——苯炔或芴炔同电子受体——苝酰亚胺单体通过偶联反应得到Donor-Acceptor结构的交替共聚物。除此之外，引入芳香炔结构有利于拓宽材料的光谱吸收范围和产生的光生电荷的传输。根据偶联位置的不同，Donor-Acceptor之间的相互作用也存在差别：(1)当在酰胺位置偶联时，由于苝酰亚胺的电荷分布在氮原子处存在节点，所以在基态时Donor-Acceptor之间不存在相互作用；(2)当在“bay”位置偶联时，由于空间位阻的原因，苝环会发生一定程度的扭曲，并且Donor-Acceptor之间是存在相互作用的。

本发明提出的基于苝酰亚胺和苯炔或芴炔的新型聚合物材料，是把电子给体苯炔或者芴炔连接到电子受体苝酰亚胺的酰胺或者“bay”位置，其分子结构如下：

式中：X为寡聚苯炔单体的长度；R1，R2为氢原子或者以下基团中的一种：

其中*表示R1，R2和R5与苝环的连接点；R3为任意长度的烷氧基链；R4为任意长度的烷基链。R5为直链烷基或者以下的基团的一种：

本发明的交替共聚物材料中，常见的22中如下：

(1)R1和R2为氢原子；R3为己氧基，X＝1，3，5时，其结构式：

(2)R1为氢原子；R2分别为苯氧基，对叔丁基苯氧基和吡咯烷基；R3为己氧基，X＝1，3，5时，其结构式：

(3)R1和R2分别为苯氧基，对叔丁基苯氧基；R3为己氧基，X＝1，3，5时，其结构式：

(4)R1和R2为氢原子；R4为正己基时，其结构式：

(5)R1为氢原子；R2分别为苯氧基，对叔丁基苯氧基和吡咯烷基；R4为正己基时，其结构式：

(6)R1和R2分别为苯氧基，对叔丁基苯氧基；R4为正己基时，其结构式：

(7)R3为己氧基，X＝1，3，5；R5分别为正辛基，7-十三烷基，1，3-二异丙基苯基，3，4，5-三己氧基苯基和烷氧链，其结构式：

(8)R4为正己基；R5分别为正辛基，7-十三烷基，1，3-二异丙基苯基，3，4，5-三己氧基苯基和烷氧链，其结构式：