[发明专利]苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池材料领域，尤其涉及一种苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料及其制备方法和应用。

背景技术

利用廉价材料制备低成本、高效能的太阳能电池一直是光伏领域的研究热点和难点。目前用于地面的硅晶电池由于生产工艺复杂、成本高，使其应用受到限制。为了降低电池成本，拓展应用范围，长期以来人们一直在寻找新型的太阳能电池材料。有机半导体材料以其原料易得、廉价、制备工艺简单、环境稳定性好、有良好的光伏效应等优点备受关注。自1992年N.S.Sariciftci等在SCIENCE(N.S Sariciftci，L.Smilowitz，A.J.Heeger，et al.Science，1992，258，1474)上报道共轭聚合物与C₆₀之间的光诱导电子转移现象后，人们在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，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：有机半导体材料的光谱响应与太阳辐射光谱不匹配，有机半导体相对较低的载流子迁移率以及较低的载流子的电极收集效率等。为了使聚合物太阳能电池得到实际的应用，开发新型的材料，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。

近两年来，苯并二噻吩(BDT)基共轭聚合物显示出了优良的光伏性能。Yang等人合成了一系列BDT基的共轭聚合物，这些聚合物具有非常好的光电性能，最高的能量转换效率为(PCE)为7％。近来，Leclerc组也报道了一种新的含有BDT基的共轭聚合物(PBDTTPD)，当活性层面积为1cm²时，PCE高达5.5％。为了设计和合成出具有合适带隙和分子能级的聚合物，新的电子受体材料在开发新的D-A结构聚合物中起着关键的作用。研究发现噻唑是一个典型的缺电子单元，它包含一个吸电子亚胺基团，共聚物主链中含有并噻唑基表现出较高的空穴迁移率，每个单元增加两个噻吩基可以降低共聚物的带隙。因此苯并二噻吩与二噻吩噻唑并噻唑共聚物材料是一种很有前景的高性能太阳能电池材料。

发明内容

本发明的目的一在于提供一种能量转换效率高的苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料。

一种具有下述结构式(I)的苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料：

式中，R₁、R₂均为C₁～C₂₀的烷基，n为10～100的整数。

本发明的另一目的在于提供上述苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料的制备方法，包括如下步骤：

在无氧环境下，将结构式为的化合物A和结构式为的化合物B按照摩尔比1∶1加入量，添加入含有催化剂的有机溶剂中，充分溶解后于70～130℃下进行Stille耦合反应6～60h后，降温停止反应后得到具有下述结构式(I)的所述苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料：

上述各式中，R₁为C₁～C₂₀的烷基，R₂为C₁～C₂₀的烷基，n为10～100的整数。

在上述苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料的制备方法中：

所述催化剂为有机钯，该有机钯选自双三苯基膦二氯化钯或四三苯基膦钯，且所述有机钯与所述化合物A的摩尔比为1∶20～1∶100；或者

所述催化剂也可以为有机钯(如，三二亚苄基丙酮二钯)与有机磷配体(如，三叔丁基膦)的混合物；所述有机钯与所述化合物A的摩尔比为1∶20～1∶100，且所述混合物中，所述有机钯和有机磷配体的摩尔比为1∶4～8；

所述有机溶剂选自甲苯、N，N-二甲基甲酰胺及四氢呋喃中的至少一种。

在上述苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料的制备方法中，优选地，所述Stille耦合反应温度为80～110℃；所述Stille耦合反应时间为12～48h。

本发明的又一目的在于提供上述苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料在有机太阳能电池中的应用。

本发明提供的苯并二噻吩基共聚物太阳能电池材料，苯并二噻吩具有易修饰的光物理性质，其共聚合物显示出了优良的光伏性能；并噻唑是一个很好电子受体连结两个噻吩后，是聚合物的带隙变窄。该性能可以提高太阳能的能量转换效率，从而解决聚合物太阳能电池低效率问题。