[发明专利]宽吸收谱的三元共轭聚合物给体材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及有机光电功能材料领域，具体一种涉及三元聚合物给体材料及其的合成方法和应用。

背景技术

能源危机和环境污染是人类在21世纪面临的巨大挑战，寻找一种清洁的可再生的新能源已迫在眉睫。太阳能不仅是可再生能源，而且对环境无污染，是一种真正意义上的“绿色”能源，充分利用太阳能发展光伏产业具有重要意义。虽然晶体硅太阳能电池的能量转化效率较高，工艺比较成熟，但由于对材料纯度要求高以及制作成本昂贵以致很难以实现大规模应用。相比而言，有机材料具有柔性好、质轻、制作容易、材料来源广泛、成本低和易于实现大面积生产等优势，使其在实际应用中更诱人。在光伏产业中，用有机聚合物代替无机材料将逐渐成为主流，对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义（Macromol. Rapid Commun.2012, 33, 1162; J. Polym. Sci. Pol. Chem.2013, 51, 743）。目前，最新报道的有机光伏电池（OPVs: Organic Photovoltaic Cells）的能量转化效率（PCE: Power Conversion Efficiency）高达12%，随着进一步的研究，有望实现大规模商业化应用（Adv. Mater.2006, 18, 789）。

对于目前广泛研究的聚合物（polymer）/富勒烯衍生物（PCBM）本体异质结的OPVs，PCBM作为电子受体材料由于具有低的最低未占据轨道（LUMO）能级和高电子迁移率，因而是一类理想的受体材料（J. Org. Chem.1995, 60, 532; Angew. Chem. 2003, 115, 3493; J. Mater. Chem.2012, 22, 10416）。但PCBM在可见光波段对光的吸收较少，因而电子给体材料要具备对可见光波段的有效吸收来提高OPVs的PCE。目前报道的聚合物给体材料由于能隙较高，其吸收光谱与太阳光谱不匹配，不能有效吸收太阳光，因而电池的效率不高，如已报道的聚对苯撑乙烯衍生物/PCBM基OPVs的效率只有3.3%（Angew. Chem. 2003, 115, 3493），聚3-己基噻吩/PCBM基OPVs的最大效率约为5%（Adv. Funct. Mater. 2005, 15, 1617）。为了克服这个问题，研究者设计了许多新型低能隙共轭聚合物。其中，由于给体（D）-受体（A）交替结构的多元共轭聚合物可获得低能隙而被广泛研究（Accounts Chem. Res.2012, 45, 723）。特别是通过选择多种吸收波段的D、A单元合成多元共聚物来展宽给体材料对可见光的吸收范围，进一步提高OPVs的PCE。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有宽吸收谱的三元共轭聚合物给体材料。

本发明提供的一种宽吸收谱的三元共轭聚合物给体材料，该给体材料是苯并二噻吩单体作为给体单元，二酮吡咯并[3,4-c]吡咯和氟取代苯或苯作为两种受体单元，它具有以下分子结构式：

上述分子中，x，y代表两种给受体结构单元之间的比例，1≤x≤9，1≤y≤9；n代表共轭聚合物主链的聚合度，其中，3<n<1000, n、x、y为正整数。

R₁和R₆相同或不同，R₁和R₆选自氢或具有1-20个碳原子的烷基。

R₂—R₅选自氢和氟原子，其中氟取代基的数目可以是0、1、2或4。

本发明是将苯并二噻吩单体作为D单元，DPP和具有强吸电子的氟取代苯或未取代的苯作为A单元来合成宽吸收谱的三元共轭聚合物给体材料。通过对A单元种类的选择及比例调节，烷基侧链的改变，系统研究分子结构对材料吸收光谱、能级、空穴传输性能以及光伏性能的影响规律，得到具有宽吸收谱的聚合物给体材料及高PCE的OPVs。

制备上述取合物给体材料的是将苯并二噻吩、二酮吡咯并[3,4-c]吡咯、苯或氟取代的苯在四（三苯基膦）钯催化下进行Suzuki偶联反应得到目标产物。