[发明专利]一种宽带隙有机半导体材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种宽带隙有机半导体材料及其制备方法和应用，该材料结构式如式I，其中，R₁、R₂和R₃为氢或具有1‑30个碳原子的烷基，或者是具有1‑30个碳原子的烷基中一个或多个碳原子被卤素原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羟基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基或硝基取代形成的基团；π单元为苯、萘、噻吩、并噻吩、硒吩、碲吩、呋喃、吡咯、吡啶、噻咯、噻唑、恶唑、三唑及它们的衍生物中的一种；n为半导体材料的聚合度，n为1到10000的自然数。该材料在有机太阳电池中表现出优异的器件性能，具有宽的带隙，较深的HOMO能级，能与非富勒烯受体很好的匹配，材料应用于制备有机太阳电池的活性层，在非富勒烯太阳电池器件中获得了较高的能量转换效率。

技术领域

本发明属于有机太阳电池技术领域，具体涉及到一种宽带隙有机半导体材料的制备方法，及其在有机光伏器件中的应用。

背景技术

有机太阳能电池(OSCs)是目前新材料、新能源领域研究的热点之一，其具有独特的质轻、柔性、成本低、半透明、可溶液加工、可通过卷对卷(roll to roll)大面积制备柔性器件等优点。近两年来，以有机共轭聚合物为电子给体，非富勒烯为电子受体的聚合物/非富勒烯共混本体异质结(bulk heterojunction,BHJ)太阳能电池发展最为迅速，而且，经过实验室研究人员的共同努力，单层BHJ和叠层BHJ太阳能电池均取得了超过13％的最高能量转化效率(J.Am.Chem.Soc.,2017,139(21),pp 7148–7151.DOI:10.1021/jacs.7b02677；J.Am. Chem.Soc.,2017,139(21),pp 7302–7309.DOI:10.1021/jacs.7b01493)，显示着巨大的应用前景。

而且，非富勒烯受体材料发展的同时也带动了给体材料的发展新方向，非富勒烯小分子受体材料带隙窄，吸收好，为了与其吸收进行互补匹配，人们开发发展了大量的宽带隙聚合物给体材料。Li课题组将宽带隙聚合物J51和J61分别作为给体，ITIC作为受体，制备了效率达到9.26％和9.53％的有机太阳电池器件。Yan课题组使用ITIC为受体，通过调整聚合物的结晶性及结晶尺寸，制备的非富勒烯太阳电池超过10％。Hou课题组报道了 PBQ-4F:ITIC体系的非富勒烯聚合物太阳电池，该体系表现出极低的能量损失(给受体 HOMO能级差约0.04eV)，可以采用低毒溶剂进行加工制备，且器件无需在惰性气体保护下制备，太阳电池器件效率高达11.34％。同一课题组，对ITIC分子末端的受体单元进行甲基的修饰，有效的调节了其HOMO/LUMO能级，采用光谱互补的给体材料PBDB-T，获得12.05％的效率^[93]。因此，开发更高性能的宽带隙共轭聚合物非常必要。(Nature Communications,2016,7:13094；Advanced Materials,2017,29(5):1604241；Advanced Materials,2016,28(42):9423-9429；Advanced Materials,2017,1700144.)

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的缺点，提供一种宽带隙有机半导体材料的制备方法，及其在有机光伏器件中的应用。本发明提供的是一种宽带隙有机半导体材料，该类材料具有较宽的光学带隙，光谱能与非富勒烯受体小分子材料的进行很好的匹配，能够有效提高器件的短路电流密度。该类聚合物材料作为电子给体材料，可以应用于有机光伏器件中，并获得了优异的器件效果。

本发明的目的在于提供了所述的宽带隙有机半导体材料的制备方法。

本发明的目的还在于提供所述的宽带隙有机半导体材料在有机光电转换器件中的应用。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种宽带隙有机半导体材料，所述材料结构式为式(1)所示：