[发明专利]一种具有低HOMO能级的聚合物材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有低HOMO能级的聚合物材料及其制备方法与应用。所述的聚合物结构单元如式I所示。本发明还提供包含该聚合物的半导体共混物，该聚合物的制备方法以及在有机光电领域如有机太阳能电池器件中的应用。本发明提供的聚合物具有较低的HOMO能级，基于该聚合物的有机太阳能电池可以获得较高的开路电压和能量转换效率。

技术领域

本发明涉及一种具有低HOMO能级的聚合物材料及其制备方法与应用，属于有机光电技术领域。

背景技术

有机太阳能电池具有柔性、轻质、可以做成大面积等优势，近年来得到了工业界和学术界的广泛关注。能量转换效率是评价有机太阳能电池性能的重要指标，由电子给体和电子受体共混制备的本体异质结太阳能电池已经获得了超过13％的能量转换效率[Zhao,W.,Li,S.,Yao,H.,Zhang,S.,Zhang,Y.,Yang,B.and Hou,J.,J.Am.Chem.Soc.2017,139,7148-7151；Fan,Q.,Su,W.,Wang,Y.,Guo,B.,Jiang,Y.,Guo,X.,Liu,F.,Russell,T.P.,Zhang,M.and Li,Y.,Sci.China Chem.2018,61,1-7；Zhang,S.,Qin,Y.,Zhu,J.and Hou,J.,Adv.Mater.2018,1800868；Gao,H.-H.,Sun,Y.,Wan,X.,Ke,X.,Feng,H.,Kan,B.,Wang,Y.,Zhang,Y.,Li,C.and Chen,Y.,Adv.Sci.2018,1800307]。新型光伏材料的设计和应用对于能量转化效率的提升具有重要的意义[Scharber,M.C.,Mühlbacher,D.,Koppe,M.,Denk,P.,Waldauf,C.,Heeger,A.J.and Brabec,C.J.,Adv.Mater.2006,18,789-794；Chen,J.andCao,Y.,Acc.Chem.Res.2009,42,1709-1718；Henson,Z.B.,Mullen,K.and Bazan,G.C.,Nat.Chem.2012,4,699-704；Li,Y.F.,Acc.Chem.Res.2012,45,723-733；Ye,L.,Zhang,S.,Huo,L.,Zhang,M.and Hou,J.,Acc.Chem.Res.2014,47,1595-1603]，通过光伏材料的分子能级和吸收特性的调制可以优化有机太阳能电池的输出电流和电压。在研究的早期，富勒烯衍生物是应用最为广泛的电子受体材料，使用P3HT材料作为电子给体的有机太阳能电池，因为对太阳光的吸收不充分，仅能获得4％左右的能量转换效率；而将P3HT替换为窄带隙的给体材料，如PTB7、PBDT-TS1或PffBT4T-2OD，其效率可以大幅地提高到11％左右[He,Z.,Zhong,C.,Su,S.,Xu,M.,Wu,H.and Cao,Y.,Nat Photonics 2012,6,591-595；Zhang,S.Q.,Ye,L.,Zhao,W.C.,Yang,B.,Wang,Q.and Hou,J.H.,Sci.China Chem.2015,58,248-256；Liu,Y.,Zhao,J.,Li,Z.,Mu,C.,Ma,W.,Hu,H.,Jiang,K.,Lin,H.,Ade,H.and Yan,H.,Nat.Commun.2014,5,5293]。近年来，非富勒烯型电子受体材料得到了显著的发展，基于此的有机太阳能电池效率已经超过了富勒烯型有机太阳能电池。许多高性能非富勒烯受体具有窄带隙的特点，相应的有机太阳能电池对太阳光具有很好的吸收，可以获得较高的短路电流。但是，目前的高效率给体材料如PBDB-T，PBDB-TF，PTAZ等，HOMO能级普遍较高，所以基于它们和非富勒烯受体制备的有机太阳能电池开路电压还相对较低[Zhao,W.,Qian,D.,Zhang,S.,Li,S.,Inganas,O.,Gao,F.and Hou,J.,Adv.Mater.2016,28,4734-4739；Li,W.,Ye,L.,Li,S.,Yao,H.,Ade,H.and Hou,J.,Adv.Mater.2018,1707170；.Zhao,F.,Dai,S.,Wu,Y.,Zhang,Q.,Wang,J.,Jiang,L.,Ling,Q.,Wei,Z.,Ma,W.,You,W.,Wang,C.and Zhan,X.,Adv.Mater.2017,29,1700144]。因此，开发具有低HOMO能级的聚合物给体材料，对于提高有机太阳能电池的开路电压以及能量转换效率具有重要的意义。