[发明专利]苯并[2,1-b: 3,4-b`]二硒吩类聚合物半导体材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于有机光电材料技术领域，具体的涉及一系列基于苯并[2,1-b:3,4-b′]二硒吩的光电功能聚合物半导体材料及其在有机光伏器件中的应用。

背景技术

有机半导体光电子器件，包括有机场效应晶体管、有机发光二极管、有机光伏电池、有机静电复印、有机激光器和有机生物传感器等，因具有价格低廉、体轻便携、易于大面积加工等优点而得到了广泛的发展并逐步向产业化迈进。开发性能优异并适合于器件性能需求的有机光电半导体材料成为其中一个重要的环节。

其中，具有光电转换效应的有机半导体材料用于制备柔性的有机太阳能电池成为当前研究的热点之一。目前，常用的材料主要为π共轭的聚合物材料和小分子材料，通过对材料的分子结构设计和器件的优化，基于聚合物/富勒烯体系的体异质结有机太阳能电池的光电转换效率已经接近10%，但是与无机太阳能电池相比，其在转换效率、光谱响应范围以及电池的稳定性等方面，有机光伏电池还有待提高。设计合成具有窄带隙结构、给受体能级匹配、具有高载流子迁移率和具有良好的溶解性能的聚合物半导体材料是当前材料研究领域的重要任务。

线性平面结构的苯并二噻吩（BDT）得到了研究人员的广泛关注，其聚合物电池光电转换效率可以达到7%以上，是一种有效的聚合物给体材料构建单元。具有相似的共轭平面结构，非线性结构的苯并二噻吩（BDP和BdT，结构式如下）类聚合物材料却鲜有报道，其光电转换效率也较低。然而，这种非线性化学结构的苯并二噻吩类聚合物材料在能级结构、迁移率和溶解性方面具有特殊的性质，例如，Jianhui Hou等报道了非线性结构的苯并二噻吩类聚合物PBDPTT-C，相比与线性结构的聚合物材料PBDTTT-C，其HOMO能级降低了0.2eV，开路电压升高了0.12eV，光电转换效率可以达到5.21%（Chem.Commun.2011,47,8850-8852）。近来，作为具有与噻吩类似的芳香结构的硒吩，为分子结构优化和聚合物光电性质的调控提供了一种新的思路。基于硒吩取代的聚合物具有更好的平面性和更窄的光学带隙，有利于太阳光的吸收，可以提高光电流；另一方面，相比与噻吩类聚合物，硒原子取代的聚合物其HOMO能级基本不变，LUMO能级降低，因此，硒取代的聚合物可能同时具有较高的开路电压和光电流；另外，硒原子比硫原子更易于极化，存在很强的Se-Se分子间作用力，有利于分子内的电荷转移，可以有效提高载流子迁移率，减少载流子的复合。因此，合成基于非线性结构的苯并二硒吩类聚合物半导体材料具有重要的应用价值。

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类苯并[2,1-b:3,4-b′]二硒吩类聚合物半导体材料，基于这种非线性结构的硒取代聚合物材料显示出良好的光电性质，具有较高的氧化和热稳定性、可调的光学带隙和能级结构、较高的载流子迁移率以及良好的溶液可加工性，将其应用于有机太阳能电池器件时具有较高的光电转换效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：苯并[2,1-b:3,4-b′]二硒吩类聚合物半导体材料，其结构通式如通式I所示，

式中，n为聚合度，为2-100的任一整数，R为H、C₁-C₂₀的烷基、C₁-C₂₀的烷氧基、C₁-C₂₀的酯基、C₁-C₂₀的氨基、C₂-C₂₀的炔基、C₁-C₂₀的氟代烷基、C₁-C₂₀的硫代烷基和上述任一取代的芳基或杂芳基，A为具有不同给受电子能力的芳香共轭单元，为如下所示结构化合物中的一种：

式中，R₁为碳原子数为1-20的烷基、烷氧基或H原子，R₂为碳原子数为1-20的烷基或烷氧基，Y为H、F中的任一原子，m为重复单元数，m为1-20的任一整数。

本发明还提供了苯并[2,1-b:3,4-b′]二硒吩类聚合物材料在有机光伏器件中的应用。