[发明专利]具有高载流子迁移率的绿色可溶性共轭聚合物

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年5月26日提交的第US61/181,058号美国临时申请优先权，该申请的整体以引入方式并入本发明，包括所有图表、表格或者图示。

政府支持

本发明是在美国空军科学研究局(AFOSR)的一项合同编号为UF Project 59866的研究项目支持下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

分子系统中引发的能带混合涉及富电子和贫电子π-共轭取代基，属于一种“供体-受体”(DA)方法，已经应用于下列物质的设计和合成：发光半导体、用于有机薄膜晶体管的n-沟道和二级半导体、用于化学生物传感器的有机活性组分和非放射性有机电致变色材料。DA的另外一个重要应用涉及在电磁波谱的可见和/或近红外(NIR)区域具有吸收的低能隙光伏材料，尤其是用于本体-异质结太阳能电池能使太阳能转换得到改进。供体-受体π-共轭聚合物在创新的高性能柔性集光技术中的使用备受关注。这些DAπ-共轭聚合物允许通过结构控制进行简单带隙工程以及力学变形以获得柔性电子系统。此外，DAπ-共轭聚合物在低成本、高产量的集光设备的制造中具有潜在的应用前景。DAπ-共轭聚合物溶液在例如用于汽车或屋顶的大面积太阳能电池或由精细印刷的光敏阵列制作的便携电子设备的应用中相对于使用无机等价物的方法具有相当大的优势。

尽管供体-受体理论首次由Havinga等人报道用于大分子系统[Havinga等人，Synth.Met.1993，55，299]，但是其在最近才由合成的传导聚合物证实在光电池效率方面具有优良的表现。已经证实，在系统中的效率可高达约5％，但是用于实用系统的规范相当少。总之，使用DAπ-共轭聚合物获得的低能量转换效率可归因于：1)它们的吸收光谱通常限于可见光谱的一小部分(典型地在红光区域)；和2)当用于固状设备时，它们本身的载流子迁移率低。

反射绿色的双波段吸收材料在可见光区域显示两个吸光率极值，具有480-560nm范围的透射窗口(window of transmission)。尽管对光电聚合物有约20年的热点研究，但是双波段吸收绿色光电聚合物鲜有报道，主要是因为形成共轭聚合物材料的重复单元的分子结构设计的复杂性。在获得双波段吸收绿色光电聚合物的同时实现所要求的光学性质和所希望的载流子迁移率尚未见报道。目前为止，对于这些聚合物材料，已报道的载流子迁移率较低，这限制了在固态设备中的电荷传输，不能用于制备切实可行的太阳能转换设备。

目前文献描述的中性态是绿色的π-共轭聚合物，双波段吸收材料，具有令人失望的载流子迁移率，转而未能促进它们应用于集光设备。这些聚合物的载流子迁移率令人失望归因于：1)缺少有利的分子间相互作用，主要是少π-堆积；2)不利的大的链间距(或层间距)；和3)相对较少延伸的共轭，归因于聚合物主链低水平的可平面性。有效的本体-异质结太阳能电池要求高载流子迁移率，以致光生激子(成双的电子-空穴对)能够经受在设备活性层内的扩散和分离过程，随后将分离的电荷迅速传输至收集电极。除非太阳能电池材料显示充分高的载流子迁移率，否则分离的电荷在收集前重新结合，设备显示较弱的太阳能转换。因此，开发一种具有高载流子迁移率且易于加工的绿色π-共轭聚合物对于集光应用是值得期待的。

发明内容

本发明的实施方式涉及具有高载流子迁移率的供体-受体(DA)π-共轭聚合物，所述聚合物的空间电荷限制(SCL)零场空穴迁移率为至少1x 10^-6cm²V^-1s^-1。DAπ-共轭聚合物是多个D1_kAD1_k部分，其中k为1或2，D1是一种或更多种含有至少一个增溶侧链的供体单元，且A是一种受体单元，所述的多个D1_kAD1_k部分被D2_m间隔序列分隔，其中m为1到16且D2是另一种供体单元。所述的D2单元具有如下结构：所述单元的所有原子位于一个单一平面上，以致所述间隔序列呈现的构象能产生延伸的共轭且允许DA聚合物之间进行有利的堆积，这提高了DAπ-共轭聚合物的载流子迁移率。DAπ-共轭聚合物能够被设计成在两个波段吸收光，且反射蓝绿色、深绿色或黄绿色。