[发明专利]含硅芴共轭聚合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及共轭聚合物，更具体的涉及含硅芴共轭聚合物。

本发明还涉及含硅芴共轭聚合物的制备方法。

本发明还涉及该含硅芴共轭聚合物在制备太阳能电池中的应用。

背景技术

随着全球能源需求的逐年增加，石油等一次性能源逐渐枯竭，人们把眼光投向了太阳能、氢能等可再生能源，太阳能是未来最有希望的能源之一。但作为工业性能源来说，太阳能有能量密度低的缺点，为了充分利用这一廉价、环保、可再生的新能源，生产价廉、高效，能大面积制备的太阳能光电池一直是人们所追求的目标。目前硅基及其他无机金属间化合物太阳能光电池是这一研究领域的主流。近年来虽然其价格有大幅下降，但成本问题仍然是其大幅取代传统能源的主要障碍。聚合物光电池因为原料价格低廉、生产工艺简单、可以用涂布、印刷等方式大面积制备等优点，如果能在性能上取得进一步的突破，将其能量转换效率提高到接近商品无机材料太阳能光电池的水平，将有可能在生产实践中得到广泛的应用。其市场前景将十分巨大。美国，日本，欧盟等给予了大量的投入，欧盟还联合起来组成了太阳能电池研究所进行研究和开发。自1992年，N.S.Sariciftci等在SCIENCE[N.S.Sariciftci，L. Smilowitz，A.J.Heeger，et al.Science，1992，258，1474]上报道发现共轭聚合物与C₆₀之间的光诱导电子转移现象后，人们在共轭聚合物太阳能电池方面投入了大量研究，并取得了飞速的发展。在给体-受体相界面发生超快光诱导电荷转移反应，从而产生亚稳态的电荷分离。利用两种组分(给体/受体)在所谓的“大异质结”上形成的纳米尺度范围的互穿网络构建一个更大的界面区，确保了在整个池内产生均匀高效的电荷。此后，聚合物太阳能电池的研究主要集中于这种给体、受体共混体系。目前，聚(3-己基噻吩)(P3HT)和富勒烯(C₆₀)的衍生物[6，6](PCBM)共混体系的能量转化效率已经达到5％[W.Ma，C.Yang，X.Gong，K.Lee，A.J.Heeger，Adv.Funct.Mater，.2005，15，1617]。但是仍比无机太阳能电池的转换效率低得多，限制性能提高的主要制约因素有：有机半导体器件相对低的电荷迁移率，器件的光谱响应与陆地上太阳辐射光谱不匹配，高光子通量的红光区没有被有效利用以及载流子的电极收集效率低等。为了使聚合物太阳能电池得到实际的应用，大幅度提高其能量转换效率仍是这一研究领域的首要任务。对目前广泛使用的电子受体相材料--C₆₀衍生物PCBM进行化学修饰的作用似乎不大，因此我们着眼于电子给体相材料--共轭聚合物的选用上。目前报道的比较优异的给体材料包括聚噻吩类，聚苯撑乙烯撑(PPV)类和芴与窄带隙单体共聚类等。虽然目前报道的给体材料中以聚噻吩类(P3HT)能量转化效率最高，但P3HT仍然存在着迁移率不够高，光谱响应范围不够宽，不能很好与太阳发射光谱相匹配等缺点。

聚芴及其衍生物是一类优异的电致发光材料，具有较高的热和化学稳定性，以及较好的成膜性。通常情况下，聚芴具有较大的带隙，为蓝光材料。若在聚芴主链中引入低带隙的单体则可以在整个可见光范围内调节聚芴共聚物的发光颜色，如通过在聚合物主链中引入杂环、多芳环或芳杂环分子来增大聚合物骨架电子云的密度，或采用交替的电子给体-受体体系等，这样合成的窄带隙芴基共聚物的吸收光谱可以在很大范围内进行调节，这就使得这类材料可以具有更宽的光谱相应范围，以更好的匹配太阳发射光谱。Zhang等[F.Zhang，E.Perzon，etc.Adv.Funct.Mater.，2005，15，745]报道了一种2，3-二苯基-5，7-二(2-噻吩基)噻[3，4-b]并噻二嗪与9，9-二辛基芴的交替共聚物，用该种聚合物为电子给体材料，PCBM为电子受体材料的聚合物太阳能电池，对光的响应达到850nm。在这些窄带隙的芴基共轭聚物中，芴与4，7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑的交替共聚物(PFO-DBT)不但有较高的发光效率，而且用PFO-DBT为电子给体材料，PCBM为电子受体材料的聚合物太阳能电池的能量转化效率达到了2.2％[M.Svensson，et al.Adv.Mater.，2003，15，988]，说明该聚合物是一种很有价值的电子给体材料。目前此类材料的研究都是基于聚芴，然后再引入各种窄带隙单体来调节吸收光谱。而聚芴本身却有着迁移率不够高，热光氧化稳定性不够好等缺点，这就严重限制了这类材料的发展。