[发明专利]一种基于A-DA’D-A型小分子受体单元的聚合物受体材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于A‑DA’D‑A型小分子受体构建单元的聚合物受体及其制备方法。该聚合物受体的结构式，如式I所示。本发明利用A‑DA’D‑A型小分子受体作为构建单元，使用π桥连接后得到一系列n‑型聚合物受体材料，其改变了聚合物受体材料的带隙及吸收范围，使得所得的聚合物受体材料与传统的基于NDI、PDI的聚合物受体相比具有更红移的吸收范围，同时兼具更大的吸收系数，与基于IDIC的PSMA聚合物受体吸收边也有显著红移。从而提高了全聚合物太阳电池的短路电流(J_sc)。

技术领域

本发明属于有机光电材料领域，具体涉及一类含有A-DA’D-A型小分子受体单元的有机光伏聚合物受体材料及其在有机太阳能电池的应用。

背景技术

随着科技文明的不断进步，伴随而来的能源危机与环境问题，让人们意识到寻求新的清洁可再生能源迫在眉睫。太阳能是取之不尽、用之不竭的最重要的清洁可再生能源，将太阳能直接转换成的电能的太阳电池是利用太阳能的重要手段。近年来，基于溶液加工的有机太阳电池由于其性能易于调控、成本低、可进行大规模生产等优势，引起了人们很大的兴趣[李永舫,Acc.Chem.Res.,2012,45(5),pp 723-733]。根据光活性层的组成分类，全聚合物有机太阳电池是由p-型聚合物给体和n-型聚合物受体组成的本体异质结结构的光伏器件。全聚合物太阳电池具有更优异的成膜性，机械稳定性，热稳定性及光照稳定性[Q.Fan,W.Su,S.Chen,W.Kim,X.Chen,B.Lee,T.Liu,U.A.Méndez-Romero,R.Ma,T.Yang,W.Zhuang,Y.Li,Y.Li,T.-S.Kim,L.Hou,C.Yang,H.Yan,D.Yu,E.Wang,Joule 2020,4,658-672],这有利于其未来的商业化发展。

与其他类型的有机太阳电池相比，全聚合物太阳电池的能量转化效率(PCE)仍存在差距，迄今为止只有少数的全聚合物太阳电池可以取得11％的效率。其中的根本原因是高效聚合物受体材料发展的滞后。传统的聚合物受体材料主要是基于萘二酰亚胺(NDI)和苝二酰亚胺(PDI)构建单元，但是基于二者的聚合物受体材料都存在吸收系数低、较难吸收利用近红外-红外波段太阳光的缺陷。而基于A-D-A型小分子受体高分化(PSMA)策略的提出[Z.-G.Zhang,Y.Yang,J.Yao,L.Xue,S.Chen,X.Li,W.Morrison,C.Yang,Y.Li,Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,13503-13507；张志国，一种窄带隙n-型聚合物受体及其制备方法与应用.中国科学院化学研究所，201710532586X，2017-07-03[2019-06-18]]打破了困局，为发展高效的全聚合物电池提供了新思路和材料体系。

小分子受体高分化(PSMA)策略指的是利用π桥把小分子受体单元连接得到聚合物的方法。其中，小分子受体单元决定着合成的聚合物受体材料的电子能级和吸收范围。张志国等发展的基于A-D-A型小分子受体IDIC的PSMA受体吸收边只能到800nm左右，这限制了聚合物受体的吸收也只能到800nm左右[张志国，一种窄带隙n-型聚合物受体及其制备方法与应用.中国科学院化学研究所，201710532586X，2017-07-03[2019-06-18]]。近年来得益于A-DA’D-A型小分子受体Y6的发展[J.Yuan,Y.Zhang,L.Zhou,G.Zhang,H.-L.Yip,T.-K.Lau,X.Lu,C.Zhu,H.Peng,P.A.Johnson,M.Leclerc,Y.Cao,J.Ulanski,Y.Li,Y.Zou,Joule2019,3,1140-1151]，，使得基于小分子受体的太阳电池PCE突破17％。这得益于A-DA’D-A型小分子受体具有合适的能级和较窄的带隙，其吸收边可以拓宽至950nm，因此A-DA’D-A型小分子受体是一个理想的n-型聚合物受体的构建单元。

发明内容

针对现有的全聚合物太阳电池中聚合物受体材料吸收边带不够宽，光电转化率不理想等问题，本发明提出利用A-DA’D-A型小分子受体作为构建单元，使用π桥连接后得到一系列n-型聚合物受体材料，以及其在有机太阳电池中的应用。