[发明专利]功能基封端的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑共轭聚合物及制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种功能基封端保护的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑给体-受体型共轭聚合物的制备及其在太阳能电池中的应用。

背景技术

随着能源需求日益加大，环境污染日益严重，清洁、丰富、可再生的绿色能源成为全社会的追逐目标。满足所有要求的太阳能成为人们关注的焦点。太阳能电池是太阳能应用的最重要最方便的途径之一，其主要包括无机太阳能电池和有机太阳能电池。相比较于造价高昂的无机太阳能电池，集制造成本低，柔韧性好，制备工艺简单，制造面积大，价格低，重量轻等优点于一身的有机太阳能电池逐渐成为人们所关注的焦点，特别是聚合物薄膜太阳能电池，已成为近几年来国内外研究的热点。聚合物太阳能电池基本以本体异质结型为主，其活性层材料主要由有机半导体聚合物给体和受体（主要PCBM）的共混膜组成，与非晶硅薄膜太阳能电池相比，聚合物太阳能电池虽然有无法比拟的优势，但低的能量转化效率限制了其广泛应用。影响能量转换效率的主要原因有以下两点，其一，有机半导体聚合物的吸收光谱与太阳光辐射光谱不匹配，常用的聚合物的吸收光谱在600 nm之前，达不到太阳光的最大辐射范围700 nm左右；其二，有机半导体材料的电子空穴迁移率相对低，与非晶硅的迁移率相比相差近一个数量级。针对以上问题，全世界的科学家们围绕提高能量转换效率进行了多方面的研究。一方面人们开发出了许多窄带隙的聚合物，以期能与太阳光最大光子流的光谱范围相匹配，特别是给体-受体型共轭聚合物，如：PFDPBT(MACROMOL. RAPID. COMMUN., 2009, 30, 1484-1491.), PCDTBT[J. AM. CHEM. SOC., 2007,130 , 732-742]，PSiF-DBT[中国专利200710028956.2]，其中表现优异的给体分子主要有芴，硅芴，咔唑，苯并二噻吩等，而受体型分子主要集中于苯并噻二唑，及最新研究报道的双噻吩基氟代苯并噻二唑(DTffBT)（Angew. Chem. 2011, 123, 3051 –3054），由于其结构中含有强吸电子的氟原子，在调控分子能级的同时，还大幅提高了开路电压。另一方面，为提高载流子迁移率，进行分子结构调整，增加分子的刚性、共平面性有利于空穴电子传输。如，咔唑类，苯并二噻吩类，这类材料由于有稠环烃的大共轭体系及刚性共平面，具有高载流子迁移率的优良特性。此外，有最新的报道表明，对共轭聚合物的末端基进行功能化保护[Adv. Mater. 2010, 22, 1355–1360]，调整聚合物的表面能，降低聚合物表面能与PCBM表面能的差距，促进聚合物给体与PCBM受体的混合均匀性，提高了活性层的有序微相分离结构，从而提高了空穴电子传输率。然而要实现商品化，聚合物太阳能电池的光电转换效率还有待大幅度提高，因此开发新型的、覆盖近红外宽吸收，载流子迁移率高的共轭聚合物，对于改善聚合物太阳能电池活性层材料，获得较高能量转换效率及潜在的应用都有重要的意义。基于以上分析，本发明结合咔唑和DTffBT的优势，以及功能基保护的封端效果，我们将稠环烃咔唑和氟代苯并噻二唑共聚而得到窄带隙咔唑类聚合物，并用多种功能基团（包括无氟芳基，含氟芳基，含氟烷基）对其端基进行功能化，所制备的共轭聚合物材料具有宽的光谱吸收范围和高的开路电压。同时结构中的高共平面性和末端基功能化保护，大幅提高了载流子迁移率。将这种结构的共轭聚合物应用于太阳能电池，赋予了器件高的能量转化效率，到目前为止，国内外并无相关文献和专利报道。

发明内容

本发明提供了功能基封端保护的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑给体-受体型共轭聚合物及其制备方法，以及在太阳能电池中的应用。将咔唑和氟代苯并噻二唑共聚而得一系列共轭聚合物，通过多种功能基进行端基保护，将其应用于太阳能电池的活性层材料。该类材料吸收光谱覆盖紫外可见近红外区，光谱响应范围宽，该类材料应用到聚合物太阳能电池中，具有开路电压大，载流子迁移率高，能量转化效率高等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一、本发明采用Suzuki交替共聚的方法制备了一类功能基封端保护的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑给体-受体型共轭聚合物，其特征在于它们具有以下结构：

式中，

  代表给体；代表受体；n为聚合物主链单元的重复个数，为自然数1-100；Ar₁、Ar₂为封端保护基团。