[发明专利]一种含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料技术领域，特别是涉及一种含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩类共轭聚合物及其制备方法与应用。

背景技术

有机太阳能电池由于具有无机太阳能电池无法比拟的一些优点，如成本低廉，制作工艺简单，产品重量轻，可大面积柔性制备等优点而作为一种有潜力的可再生能源受到人们的广泛关注。在过去的十年中，有机太阳能电池的性能得到稳步提高，能量转换效率已接近10%。但是，到目前为止，有机太阳能电池的光电转换效率比无机太阳能电池还是低很多。

目前有机聚合物太阳能电池的能量转换效率仍然比硅太阳能电池低，原因之一是聚合物的载流子迁移率比无机单晶材料的迁移率低了好几个数量级，而聚合物光电池材料的吸收光谱与太阳光谱不能很好地匹配，是导致能量转移效率低的另一重要原因。为进一步提高聚合物太阳能电池的性能，可采用具有较宽吸收光谱的极窄带隙聚合物做给体和受体，提高对太阳光的吸收利用效率。

提高聚合物太阳能电池的能量转换效率的方法之一是合成新型P-型共轭聚合物，新型P-型共轭聚合物需要具备以下特点：（a）良好的溶解性，利于溶剂加工，实现工业化生产；（b）对整个太阳光谱有宽而强的吸收；（c）载流子迁移率高，利于载流子传输。其中，如何拓宽聚合物的光吸收范围将是研究的重点，通过选择合适的结构单元组成半导体聚合物，利于将聚合物的光吸收范围拓宽到红外、近红外区。为实现有机太阳能电池的商业化，开发新的聚合物材料，提高光电材料的能量转换效率对于有机太阳能电池的发展有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物。

本发明的目的还在于提供含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物的制备方法及应用。

第一方面，本发明提供一种含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物，为具有如下通式的聚合物P：

P:

式中，R₁、R₂为H、C₁~C₁₀的烷基、C₁~C₁₀的烷氧基或烷基噻吩基团，R₃为C₁~C₁₄的烷基，R₄、R₅为H或者C₂~C₁₂的烷基，所述烷基噻吩基团的结构简式为：R’为C₆~C₁₀的烷基，n为1~80之间的自然数。

本发明的含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物的结构中含有二苯并[b,b’]噻吩苯并[2,1-b:3,4-b’]二噻吩单元，该单元是由具有平面刚性结构的苯并二噻吩衍生得到的，苯并二噻吩单元具有较高的载流子迁移速率及热稳定性，在光电材料领域已得到广泛应用。而二苯并噻吩苯并二噻吩在原有苯并二噻吩的共轭结构基础上扩大了共轭骨架，具有独特的梯形环并七苯刚性平面结构，可有效降低聚合物的带宽，使载流子在分子骨架中的转移变得更加容易，提高载流子迁移速率，同时使聚合物具有较好的热稳定性和环境稳定性。此外，通过向该并七苯梯形共轭结构单元中引入氮、硫等杂原子，可调节聚合物的带隙及吸光性能，使含有二苯并噻吩苯并二噻吩单元的聚合物在有机光电材料领域具有很好的应用前景。

同时，本发明的含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物结构中含有噻吩并[3,4-c]吡咯-4,6-二酮单元，该单元是性能优良的受体单元，首先，它具有的平面结构，利于电子沿着聚合物骨架离域；其次，噻吩并[3,4-c]吡咯-4,6-二酮单元具有的强吸电子效应能有效地调节目标聚合物的HOMO和LUMO能级，同时，在N原子上引入烷基可以有效地改善其溶解性。因此，该结构单元在有机发光二极管、有机太阳能电池、场效应晶体管等光电材料中的应用非常广泛。

本发明的含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物含有以上两种单元，具有新的共轭平面结构，以及优异的太阳光匹配性和载流子迁移性能，能量转换效率高，应用前景广阔。

第二方面，本发明提供一种含噻吩并吡咯二酮-二苯并噻吩苯并二噻吩聚合物的制备方法，包括以下操作步骤：

提供化合物A和化合物B，化合物A和B的结构式分别为：