[发明专利]一种含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料技术领域，特别是涉及一种含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物及其制备方法与应用。

背景技术

制备成本低、效能高的太阳能电池一直是光伏领域的研究热点和难点。目前已商业化的硅太阳能电池由于生产工艺复杂、成本高，应用受到限制。为了降低成本，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。聚合物太阳能电池因为原料价格低廉、质量轻、柔性、生产工艺简单、可用涂布、印刷等方式大面积制备等优点而具有优越的市场前景。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。

目前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，原因之一是由于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。而目前使用的共轭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，提高对太阳能的吸收利用。

因此，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芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物，该共聚物中由于含有新的噻咯并二(苯并噻二唑)共轭单元，与太阳光谱的匹配度高，同时为平面共轭结构，载流子迁移速率高，可提高载流子到达电极的比例及电荷收集效率，从而提高能量转换效率，本发明的目的还在于提供上述含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物的制备方法及应用。

第一方面，本发明提供一种含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物，为具有如下结构式的共聚物P：

式中，R₁，R₂，R₃，R₄为C₁~C₂₀的烷基，n为1~100之间的整数。

本发明的含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物结构中含有苯并噻二唑单元、噻咯和芴基团，苯并噻二唑单元是常见的功能单元，具有优异的还原可逆性，与镁、铝等金属阴极的功函值接近，属于缺电子型芳香环化合物，具有强吸电子能力，是优良的受体单元，具有较好的电子传输性质，同时还可以调节材料的能隙；噻咯形成了σ^*-π^*共轭，使得噻咯分子的最低占有轨道（LUMO）较低，同时具有良好的电子亲合力和电子迁移率；噻咯并二(苯并噻二唑)具有窄的带隙和强的共轭性质，可以应用在有机太阳能电池等领域；芴是良好的蓝光材料，2，7，9位能引进不同的烷基、烷氧基、卤素、芳香环或者杂环，能调节材料的能带，聚芴具有良好的热稳定性和成膜性，通过在聚合物中引入杂环、多芳环或芳杂环分子可以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，可以使得芴基共聚物的带隙变窄。目前已经广泛应用与有机发光二极管、有机太阳能电池、场效应晶体管等光电材料中。

由化合物芴和噻咯并二(苯并噻二唑)构成的聚合物能够形成一种很强的给体-受体结构，一方面有利于提高了材料的稳定性，另一方面有利于降低材料的能带隙，从而扩大太阳光吸收范围，提高光电转化效率；

在本发明的含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物结构中，取代基用于修饰主体结构，通过烷基取代基碳原子数调节共聚物的溶解及成膜性能等加工性能。

第二方面，本发明提供一种含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物的制备方法，包括以下操作步骤：

分别提供如下结构式表示的化合物A和化合物B：

在惰性气体氛围中，将摩尔比为1:1.5~1.5:1的化合物A和化合物B加入有机溶剂溶解，然后往有机溶剂中加入催化剂和碱溶液形成混合溶液，该混合溶液在50~120℃进行Suzuki耦合反应6~100小时，停止反应后，分离纯化得到含芴-噻咯并二(苯并噻二唑)共聚物P，该共聚物的结构式如下：

式中，R₁，R₂，R₃，R₄为C₁~C₂₀的烷基，n为1~100之间的整数。

其中，Suzuki耦合反应的反应式为：