[发明专利]含噻吩并吡咯二酮侧链基团的双缆聚合物及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了如下式(I)或式(II)所示的含噻吩并吡咯二酮侧链基团的双缆聚合物及其制备方法和应用。本发明的双缆聚合物为电子给体‑电子受体型双缆聚合物，给、受体各自分布在主链与侧链，有较好的溶解性能和成膜性能，在300‑900nm范围内具有较高的吸收范围，是一种性能优良的有机光伏材料，可作为有机半导体材料应用于单组分有机太阳能电池材料等，其组装的单组分太阳能电池器件效率可以达到10％以上。

技术领域

本发明涉及有机半导体材料技术领域，具体涉及一种含噻吩并吡咯二酮侧链基团的双缆聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

有机太阳能电池活性层材料使用的共轭聚合物主要包括：均聚物(例如P3HT)，包含“给电子单元-吸电子单元”部分的交替共聚物，无规共聚物，嵌段共聚物，以及双缆聚合物；其中，由于嵌段共聚物和双缆聚合物可以将本体异质结中的给体部分和受体部分集于一体，因此被应用到单组分有机太阳电池中。最近几年，得益于新材料体系的发展，基于双缆聚合物的单组分有机太阳能电池的光电转换效率已经超过了8％(参见Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2020,59,21683)。除此之外，这些高性能的单组分太阳能电池具有优异的光热稳定性，因此，单组分太阳能电池具有巨大的应用潜力。

目前，双缆聚合物中所使用的受体单元主要分为两大类，一类是早期本体异质结中经常使用的富勒烯类电子受体，另一类为酰胺类电子受体(Acc.Chem.Res.2021,54,2227)。然而，由于这两类电子受体材料结构类型单一，且在近红外区域吸收较弱，导致基于这两大类型双缆高分子器件的性能参数难有较大提升。因此，开发基于新材料体系的双缆高分子对于提升单组分太阳能电池具有重要的研究意义。

最近几年，得益于稠环电子受体的发展，例如，ITIC(Adv.Mater.2015,27,1170)、Y6(Joule 2019,3,1140)，有机太阳能电池的器件性能有了质的飞跃，目前，单节电池的光电转换效率已经超越了19％(Nat Mater 2022)。然而，由于稠环电子受体合成较为复杂，生产成本较高，不利于大规模生产，因此非稠环电子受体的概念被提出(Adv.Mater.2018,30,1705208)。高性能非稠环电子受体的设计策略沿用了稠环电子受体中的“吸电子单元-给电子单元-吸电子单元”，利用分子内的电荷转移作用拓宽材料的吸收光谱，同时，由于分子内非共价构象锁的存在，非稠环电子受体中也可以形成刚性的共平面结构，进而在薄膜中形成有序的堆积结构，利于电荷传输。目前基于非稠环电子受体的有机太阳能电池性能已经接近了15％(Angew.Chem.Int.Ed.2021,60,12475)。此外，非稠环电子受体材料种类丰富，易于筛选。因此，构建基于非稠环电子受体的双缆高分子对于提升单组分电池的器件性能具有十分重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含噻吩并吡咯二酮侧链基团的双缆聚合物及其制备方法和应用。本发明的双缆聚合物将电子给体与受体通过共价键连接组成单一组分的活性层，具有优异的光电性质，可以作为有机半导体材料应用在光伏器件，特别是应用于单组分有机太阳能电池器件的制备工艺；此外，本发明的制备方法简单，本发明双缆聚合物结构、形貌可以调控，其稳定性、重复性好。

第一方面，本发明提供了一种含噻吩并吡咯二酮侧链基团的双缆聚合物，其具有以下式(I)或式(II)所示结构：

所述式(I)或式(II)中，

A为TPDCDT，为噻吩并吡咯二酮类受体单元，其结构如下式所示：

其中带有*的化学键为连接键；

所述式(I)、式(II)或A中，

R₁是C₁～C₅₀亚烷基；