[发明专利]一种含C2v对称稠环单元的聚合物材料及其制备方法与应用

说明书

本申请公开了一类含C2v对称稠环单元的聚合物材料及其制备方法与应用。所述的含C2v对称稠环单元的聚合物材料结构式如式Ⅰ所示。本发明采所选用的C2v对称稠环小分子受体具有刚性平面结构，其上连接的可溶性烷基侧链与共轭骨架共面，且呈顺式结构分布，将其引入聚合物主链能够促进分子链π‑π堆积，进而改善目标材料的电子传输性能；稠环中心的吡咯环能够增加共轭体系电子云密度，有利于抬升聚合物受体材料的最低未占据分子轨道能级，并拓宽其吸收光谱，基于该类材料制备的太阳能电池器件有望同时获得出高的光伏性能和优异的稳定性

技术领域

本申请涉及一种含C2v对称稠环单元的聚合物材料及其制备方法与应用，属于有机太阳能电池制备及应用技术领域。

背景技术

有机太阳能电池不含铅，且具有质轻、柔性、半透明、色彩丰富可调、可大面积印刷制备等特点，因此近年来一直备受关注。由电子给体材料和电子受体材料共混组成的光活性层是太阳能电池的核心组成部分，负责“光子的吸收”以及“电子的生成”等关键任务。根据分子量的大小，活性层中电子受体材料可分为聚合物受体材料和小分子受体材料。与小分子材料相比，聚合物材料在形貌稳定性和机械柔性等方面具有明显的优势，因此在可穿戴电子器件方面有着更大应用潜力。

受益于非富勒烯小分子受体材料的开发，基于小分子受体的有机太阳能电池迅速发展，单节器件的光电转换效率(PCE)已经提高到19％以上(Nat.Mater.2022,21,656)。相比之下，全聚合物太阳能电池发展较为落后，主要由于高效聚合物受体种类的匮乏导致。早期的聚合物受体主要是使用苝二酰亚胺、萘二酰亚胺以及双硼氮键桥联连吡啶等缺电子单元构筑的给体-受体(D-A)型交替共聚物，但这类聚合物受体普遍存在吸收波段窄、消光系数低、形貌调控困难等缺点，进而限制了相应光伏器件性能的提升。近年来，基于“小分子受体高分子化策略”发展的一类聚合物受体材料使得全聚物太阳能电池的器件性能有了重大突破(Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,13503)。基于非富勒烯小分子受体在保持小分子受体宽而强的吸收以及合适的电子能级等突出优点同时，还能带来聚合物的形貌稳定性和热稳定性高、机械可拉伸性能强等优点，已成为目前一个重要的研究方向。发展基于稠环小分子受体的聚合物的关键在于开发高效非富勒烯小分子受体，然而目前常用的稠环小分子受体种类极少，多数仍局限于ITIC类受体和Y系列受体(Angew.Chem.Int.Ed.2021,60,4422)，这在一定程度上限制了全聚合物太阳能电池的发展。

发明内容

本申请使用一类新型具有C2v对称结构的梯形稠环小分子受体作为构筑单元，通过与不同共聚单元共聚，获得一系列聚合物受体材料。同时，通过在受体分子中引入具有不同电负性的端基官能团来充分优化材料的结晶性、电子能级和光学带隙。该类材料将具有优异的载流子传输性能、较窄的带隙和与聚合物给体相匹配的电子能级，相应的光伏器件能够表现出较高的光电转化效率。此外，该类聚合物受体可溶于大部分常见的有机溶剂，如氯苯、三氯甲烷、甲苯等，具有出色的溶液加工性能。

根据本申请的第一个方面，提供了一种含C2v对称稠环单元的聚合物材料，所述含C2v对称稠环单元的聚合物材料具有式I所述的结构：

其中，R₁选自C₁～C₃₀的烷基I、C₁～C₃₀的卤代烷基I、C₄～C₂₀的芳基I、C₄～C₂₀的取代芳基I、具有式I-1所示基团中的一种；

其中，所述取代芳基I的取代基选自烷基、卤代烷基、烷氧基、卤代烷氧基、卤素、烷硫基、卤代烷硫基中的一种；

R'—M—* 式I-1；

其中，R'选自C₁～C₃₀的烷基II、C₁～C₃₀的卤代烷基II中的一种；