[发明专利]二硒吩并苯并二茚类共轭聚合物半导体材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于有机半导体材料领域，具体的是涉及二硒吩并苯并二茚类共轭聚合物半导体材料及其在光电器件中的应用。

背景技术

开发光电性能优良的有机半导体材料用于构建低成本光电子器件，是近年来非常重要的一个发展方向。这些有机半导体材料，能够广泛应用于如有机场效应晶体管、有机发光二极管、光检测器、有机太阳能电池、传感器、存储器元件和逻辑电路等光电子器件中。其中，有机太阳能电池是目前广受关注的热点领域。

同无机太阳能电池相比，有机太阳能电池具有柔性、轻质、低成本、易于大面积加工等优势。但是，低的光电转换效率使得有机太阳能电池形成商业化产品并走向实际应用受到极大制约。1992年，阿兰·黑格等人发现共轭聚合物电子给体与C₆₀富勒烯电子受体之间能够发生超快的从给体向受体的光致电荷转移(Science1992,258,1474)，使得富勒烯成为有机太阳能电池研究中最受注目和使用最多的电子受体，而溶解性能优异的富勒烯衍生物PC₆₁BM和PC₇₁BM则成为其中的代表。1995年，阿兰·黑格等人提出了一种将聚合物给体和富勒烯受体共混构建形成体异质结太阳能电池，相对给受双层电池结构，能够极大的提高电池效率(Science,1995,270,1789-1791)。从而，共轭聚合物电子给体和富勒烯受体形成的体异质结有机太阳能电池成为科学家们研究的热点。研究人员从聚合物电子给体材料的设计制备、新型富勒烯衍生物受体、异质结加工工艺、器件结构、器件界面化学物理过程以及器件工作物理机制等多方面入手，开展广泛而深入的研究。在聚合物电子给体材料的设计、制备和光伏性能研究中，由于聚合物给体的电子结构很大程度上决定聚合物-富勒烯体异质结太阳能电池的开路电压（Voc）、闭路电流（Jsc）以及能量转换效率（PCE），因而，聚合物给体的研究，主要集中在获得具有窄带结构和低的HOMO能级的聚合物给体材料方面。

近年来，体异质结有机太阳能电池研究热情高涨，聚合物-富勒烯体异质结太阳能电池的性能得到快速提升，达到10%左右。把有机太阳能电池推向市场，不断发掘高性能聚合物给体材料至关重要。聚噻吩类材料普遍具有优越的光电性能，噻吩作为一个基本给电子单元，被广泛应用到聚合物电子材料的设计和合成制备中。例如，Wong等(Org.Lett.2006，8，5033)合成了一种新型的噻吩-苯-噻吩衍生物(TPT)，并报道了含TPT的聚合物材料的能带结构、空穴迁移率，发现其对太阳光有较高的摩尔吸光系数和较宽的吸收范围。但是含TPT的聚合物的迁移率仍然有限，吸收性能也有待进一步改善。Ching Ting等制备了一系列基于噻吩-苯-噻吩衍生物的聚合物电子给体材料，它们的电池能量转换效率可达6%。（Chem.Commun.2010,46,6503-6505）。

目前，发展具有高载流子迁移率、能级结构与富勒烯受体匹配、具有窄带结构、光电性能优良的聚合物半导体材料，十分迫切。作为具有与噻吩类似的芳香结构的硒吩，近年来也受到研发人员的重视。一些噻吩类聚合物中的噻吩结构被硒吩所取代，并获得了对应的优良光电性能。例如，芝加哥大学的Luping Yu等在噻吩并噻吩类聚合物的基础上，开发了一类硒吩并硒吩聚合物，其光电转换效率可达7%(ACS Macro Lett.2012,1,361-365)。一方面，相对于噻吩结构聚合物，基于硒吩结构的聚合物具有较高的HOMO能级和更窄的带隙；另一方面，硒原子比硫原子易于极化，聚合物链间硒原子与硒原子间的相互作用将更强，有利于改善空穴迁移率。由于含硒吩环的聚合物具有很高的载流子迁移率，可以很好的被应用于有机光电器件。因此，开发基于硒吩环单元结构的新的聚合物电子材料，具有重要价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种二硒吩并苯并二茚类共轭聚合物半导体材料及其应用，所得共轭聚合物材料具有可控的能级结构、可调的帯隙、宽的光谱吸收范围和高空穴迁移率的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：基于二硒吩并苯并二茚衍生物的共轭聚合物材料，其结构通式如通式I所示：

其中，R是H、C₁～C₂₀的烷基或烷氧基，n为聚合度，为2～100的任一整数，共聚结构单元A选自如下结构中的一种：