[发明专利]基于萘酰亚胺-硒吩衍生物的有机n型半导体聚合物材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于萘酰亚胺‑硒吩衍生物的有机n型半导体聚合物材料及其制备方法与应用，该有机n型半导体聚合物材料基于长链萘酰亚胺或其衍生物为吸电子单元，烷氧基取代硒吩或硒吩衍生物为给电子单元，其中，烷氧基取代硒吩或硒吩衍生物的3‑位或4‑位，或者取代硒吩或硒吩衍生物的3‑位和4‑位。本发明公开的基于萘酰亚胺与硒吩衍生物的n‑型共轭聚合物半导体具有可溶液加工、电子迁移率高、能级适当、优异的成膜性等优点，是理想的非富勒烯受体材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种基于吸电子结构的萘酰亚胺-烷氧基取代的硒吩给电子基团的有机n型半导体聚合物材料及其制备方法与应用。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的清洁、绿色能源，近年来随着世界各国对能源问题的重视，太阳能电池成为该领域的研究热点。与传统的半导体太阳能电池相比，有机太阳能电池具有成本低、重量轻、制作工艺简单、易实现柔性、对太阳光吸收波段可调等显著优势，因而成为近年来新型光伏器件中最具潜力的研究和发展方向之一，参见参考文献[1]-[4]。

迄今为止，绝大多数有机太阳能电池材料的研究都集中在适用于体相异质结器件的给体材料，与给体材料配对使用的受体材料基本上局限于富勒烯及其衍生物，然而这些材料存在一些明显的劣势：原材料成本较高、低的吸光效率，能级可调空间小，光化学不稳定、高温下易结晶、最低未占据分子轨道(LUMO)能级较低导致电池开路电压低。这些劣势严重阻碍了有机太阳能电池的进一步发展。最近几年，非富勒烯受体材料渐渐成为有机太阳能电池领域的研究热点。非富勒烯受体材料根据分子结构的不同主要可以分为聚合物和小分子两类。相比于聚合物-小分子共混体系，全聚合物共混薄膜具备更加稳定的微观相分离形貌，有望解决高结晶性、高迁移率与共混体系相分离形貌稳定性之间的矛盾。

2007年，Mcneill课题组利用芴与苯并噻二唑设计制备了D-A共聚物F8TBT(参见参考文献[5])，这就是早期的聚合物材料，该课题组利用F8TBT与PC₆₀BM共混的器件取得了1.25％的PCE。虽然器件的PCE并不高，但其为窄带隙的聚合物受体的设计开拓了一条新的道路。2007年，占肖卫课题组率先将苝酰亚胺(PDI)单元引入到聚合物受体中(参见参考文献[6])，其利用三并噻吩为给体单元与PDI为受体单元共聚合成了聚合物受体PDI-1，PDI-1与给体PT8共混制备的器件转换PCE达到1％。2014年，鲍哲南课题组利用聚合物给体P(TP)与聚合物受体PiI-2T共混制备了有机光伏器件(参见参考文献[7])，取得了3.48％的器件效率。萘酰亚胺(NDI)与苝酰亚胺具有类似的结构，因而具有相似的化学性质，但NDI共轭平面比PDI小，因而聚NDI类聚合物具有更好的溶解性，便于溶液加工，是一类非常有潜力的受体材料。Jenekhe课题组将NDI与单硒吩进行共聚(参见参考文献[8])，制备了PNDIS-HD，与NDI单噻吩共聚物相比，硒原子的引入降低了聚合物的带隙而且还提高了电子迁移率，基于PNDIS-HD与PTB7-Th的器件效率为7.73％。

本发明设计并合成了一系列NDI-烷氧基取代硒吩共聚物，通过碳氢活化直接芳基化聚合物(DHAP)直接共聚NDI和烷氧基硒吩衍生物获得。作为有机n型半导体聚合物材料，制备出高效率有机非富勒烯太阳能电池器件。

参考文献：

[1]Chen J-D,Cui C,Li Y-Q,et al.Single-Junction Polymer Solar CellsExceeding 10％Power Conversion Efficiency[J].Advanced Materials,2015,27(6):1035-1041.

[2]Kolhe N B,Lee H,Kuzuhara D,et al.All-Polymer Solar Cells with9.4％Efficiency from Naphthalene Diimide-Biselenophene Copolymer Acceptor[J].Chemistry of Materials,2018,30(18):6540-6548.