[发明专利]基于连呋喃的n型共轭聚合物及其在有机光电器件中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及高分子光电材料领域，具体涉及基于一类主链结构为连呋喃与萘酰亚胺共聚的n型共轭聚合物及其在有机光电器件中的应用。

背景技术

随着全球对于能源需求的逐年增加，石油、煤炭等传统能源的日益枯竭，以及对保护地球生态环境的需要，全世界越来越多的科学家将研究集中在氢气、太阳能等取之不尽用之不竭的可再生清洁能源。

已经成熟的无机硅、砷化镓、磷化铟等基于无机材料的光伏器件已经在市场上占有主导地位，然而由于其对于材料纯度的要求高，加工过程中会产生高能耗及污染等问题，且其价格非常昂贵，因此在追求低成本和绿色环保的今天，其大规模应用受到了限制。

有机光伏器件作为一种新型薄膜光伏电池技术，具有全固态、光伏材料性质可调范围宽、可实现半透明、柔性电池、具有大面积低成本制备潜力等突出优点。有机材料的光伏性能可调范围宽，可利用化学手段对材料的能级、载流子迁移率以及吸收等性能进行有效的调控。有机/聚合物光伏器件可采用打印、印刷等方法进行加工，可借鉴传统塑料的加工工艺，通过卷对卷滚动加工流程制造大面积、柔性的薄膜光伏器件，该生产工艺能够有效降低光伏电池的制造成本。有机光伏器件几乎不受环境和场地限制，在许多场合可将光能转换为电能，同时与无机半导体光伏器件有非常强的互补性，无疑具有巨大的商业开发价值和市场竞争力。因此有机光伏器件的研究引起了广泛关注，以有机光伏器件为核心的科学研究已经成为一个世界范围内竞争激烈的材料科学前沿研究领域。

有机光伏器件的受体研究进展缓慢，早期的研究以富勒烯为主。最近两年来，非富勒烯进展较快，然后以共轭聚合物为受体的报道相对较少，效率也不高。其主要原因是现有的受体的吸收系数不高，吸收光谱不够宽所导致的。通过对于共轭聚合物分子结构的调节，可以有效地改善这些问题，并提高以共轭聚合物为受体的有机光伏器件的性能。

发明内容

本发明的目的在于设计并合成一类主链结构为连呋喃与萘酰亚胺共聚的n型共轭聚合物作为电子受体材料用于有机光伏器件。

本发明技术方案如下。

基于连呋喃的n型共轭聚合物，所述聚合物结构如下：

其中，n为小于100万的正整数，R₁，R₂为烷基链。

进一步地，所述的R₁、R₂为具有1～40个碳原子的直链、支链或者环状烷基链，所述直链、支链或者环状烷基链中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基，甲基，乙基，甲氧基、硝基取代；所述直链、支链或者环状烷基链中氢原子被氟原子或上述官能团取代；所述R₁、R₂为相同基团或者不相同基团。

进一步地，R₃，R₄，R₅，R₆为氢、氟、氯、溴、碘原子或者为具有1～40个碳原子的直链、支链或者环状烷基链；

进一步地，所述直链、支链或者环状烷基链中一个或多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基，甲基，乙基，甲氧基、硝基取代；所述直链、支链或者环状烷基链中氢原子被氟原子或上述官能团取代。

主链结构为连呋喃与萘酰亚胺共聚的n型共轭聚合物作为电子受体用于有机光伏器件中。

本发明共轭聚合物由两个部分组成，萘二酰亚胺和取代连呋喃共轭结构。所述共轭聚合物具有较宽的吸收光谱和吸收系数以及较高的电子迁移率，可作为高效的电子受体用于高效有机光伏器件中。本发明设计了D-A共聚的n型半导体共轭聚合物，能够极大地提高聚合物的吸收系数，拓宽吸收光谱，能够极大地提高电池器件的光电流以及电池器件效率；所述的新型n型共轭聚合物作为电子受体能够达到短路电流，开路电压和填充因子的平衡，制备能量转化效率超过10％的全聚合物光伏器件，远超过基于现有受体的电池性能。

本发明所述的新型D-A结构的n型共轭聚合物通过Suzuki或Stille聚合反应得到。

本发明中使用的有机光伏器件结构如图1所示，由衬底1、阴极2、阴极界面层3、光吸收层4、阳极界面层5、阳极6或由衬底1、阳极2、阳极界面层3、光吸收层4、阴极界面层5、阴极6依次层叠构成。光吸收层受体由本发明合成的共轭聚合物组成。

本发明光伏器件中，阳极材料优选为铝、银、金、钙/铝合金或钙/银合金。