[发明专利]含Ladder型芳香稠杂环的聚合物材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于有机薄膜电池材料，特别是含Ladder型芳香稠杂环的聚合物材料及其衍生物。

背景技术

有机薄膜(异质结)太阳能电池使用的是有机半导体的n型和p型的材料，在太阳光照射下，p-n接合带隙中产生电位差，这种有机薄膜电池可以利用溶液旋涂、卷对卷和喷墨印刷等低成本制造技术，同时还可应用于塑料薄膜或其它材料表面实现柔性太阳能电池。尽管眼下有机薄膜太阳能电池在转换效率方面还低于无机太阳能电池，但是它已经显现出巨大的潜力，特别最近3-4年来随着新型有机薄膜太阳能电池材料的设计和合成，有机薄膜太阳能电池的转换效率已经从7-8年前的1-2％到现在的5-8％。

目前世界各国的研究机构一直在积极致力于提高有机薄膜太阳能电池转换效率的研究实验。2007年7月，美国加利福尼亚大学在科学杂志《Science》上发表了“单元转换效率全球最高达6.5％”的文章。日本的住友化学也于2009年2月宣布，该公司的有机薄膜太阳能电池的转换效率达到了6.5％。同年，在小单元(3mm)有机薄膜太阳能电池的能量转化效率方面，芝加哥大学获得经第三方确认的最高转换效率为6.8％(Chen HY et al，Nature Photonics，2009，3，649-653)，利用该技术的Solarmer能源公司在2010年7月份，宣布其电池效率再创新高，达8.13％的转换率，并已通过美国国家可再生能源实验室(NREL)认证。而大尺寸的(50mm)的有机薄膜太阳能电池的光电转换率也已经达到4.0％(日本印刷DNP公司)。在量产方面，美国科纳卡技术(Konarka Technologies)已经于2008年开始量产使用100μm薄的薄膜底板的有机薄膜太阳能电池模块“Power Plastic”。该电池模块采用卷对卷及喷墨印刷技术制造，获得的单元转换效率为4～5％，公司预计不久的将来单元转换效率将达到7％，而在几年之内实现10％的单元转换效率。此外，2009年美国英特尔公司也在该公司主办的展会上作为新一代技术展示了有机薄膜太阳能电池的试制品。

目前的有机薄膜太阳能电池材料(聚噻吩衍生物P3HT)的吸光层材料的禁频宽度和LUMO分别在2.1eV和-3.3eV左右。为了进一步提高有机薄膜太阳能电池材料的效率及工作电压(V_OC)，需要开发新一代太阳能电池材料，使材料的禁频宽度降低到1.6-1.8eV，LUMO降为-3.5～-3.8eV。如果采用层迭串联太阳能电池的方法，太阳能转换效率将可能提高到12％。近年来，采用电子给体-受体型聚合物材料被认为是可以降低材料的能带间隙的同时，保持较高的最高占据分子轨道(HOMO)，进而实现较高的开路电压(Heeger et al，Nature Photonics，2009，297-303)。此外，Wong等人发现基于炔类单体构筑的含金属共轭聚合物的能带间隙可降低到1.67eV左右，并成功地用于高转换效率的光伏电池(4.8％，Wong et al，Nature Materials 2007，6，521-527)。但是其开路电压只有0.82V。最近Zheng等人在电子给体-受体型聚合物材料的共轭框架中引入以梯形芳香稠环低聚物并作为电子给体，实现了1.06V的开路电压，比第一代太阳能电池材料(P3HT)的开路电压(0.66V)高60％(Zhenget al.J.Am.Chem.Soc.2010，132，5394-5404)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型有机薄膜太阳能电池材料，为含Ladder型芳香稠杂环的聚合物材料。该材料使用Ladder型芳香稠环为基本框架，通过引入杂原子来降低材料的禁频宽度，同时Ladder型框架将有利于保持较高的最高占据分子轨道(HOMO)以实现较大的开放电压。

本发明的目的在于提供一种新型有机薄膜太阳能电池材料，其结构如下：

R1，R2为各自独立地选自氢原子、C1-C28烷基，C1-C28氟化烷基，C1-C28部分氟化烷基，C1-C28环烷基，C1-C28氟化环烷基，C1-C20芳香基，含有20个碳以下烷基的芳香基，含有20个碳以下氟化烷基的芳香基，C1-C20氟化芳香基；R3，R4各自独立地选自氢原子、C1-C28烷基，C1-C28氟化烷基，C1-C28部分氟化烷基，C1-C28环烷基，C1-C28氟化环烷基，C1-C20芳香基，含有20个碳以下烷基的芳香基，含有20个碳以下氟化烷基的芳香基，C1-C20氟化芳香基；N为1-10000正整数。