[发明专利]氟代稠环苯并噻二唑聚合物受体材料、制备方法

说明书

本发明涉及一种氟代稠环苯并噻二唑聚合物受体材料、制备方法。所述氟代稠环苯并噻二唑聚合物受体材料，包括稠环苯并噻二唑中心核单元与氟取代吸电子端基以及芳香环连接单元，稠环苯并噻二唑中心核为氮桥梯形稠环结构，氟代吸电子端基连接在中心核的两端,每个受体单元通过简单芳香环结构共轭连接。

技术领域

本发明属于有机太阳能电池材料制备技术领域，特别涉及一种氟代稠环苯并噻二唑聚合物受体材料的制备方法。

背景技术

随着能源问题的日益严重，发展新型能源迫在眉睫，而太阳能由于具有清洁无污染，且取之不尽，用之不竭等诸多优点而具有很大发展前景。如何更好的利用太阳能是应对能源危机的关键解决办法。有机太阳能电池因其具有柔性、价格低廉，可低成本制备引起研究学者的广泛关注。经过二十多年的发展，目前单层异质结的有机太阳能电池的效率已经达到17％，在未来很有可能会取代传统的硅基电池。[Joule.2019,3,1140]公开了一种新型有机太阳能电池受体——Y6，是基于苯并噻二唑的稠环芳烃，其独特的化学结构与器件性能使得有机太阳能电池领域在短短一年内迎来了一个又一个能量转换效率的突破。

除了可以设计合成新型的基于Y6的小分子受体，科学家们也对基于聚合物受体的全聚合物太阳能电池进行了尝试。相比小分子受体太阳能电池，全聚合物太阳能电池存在更多潜在的优势。首先，聚合物材料具有长程链内共轭，因而有着更好的电子传输性质。其次，聚合物材料的薄膜性质比小分子材料更好，主要包括成膜性，形貌稳定性和膜的拉力耐受性。然后，大多数高效的给体结构也都是聚合物材料，因此聚合物受体和聚合物给体可能有更好的相容性，更容易形成合适的相分离尺寸并且保持更加稳定的形貌稳定性、机械稳定性以及光热稳定性。最后，根据有机场效应晶体管空穴/电子传输材料的开发和有机太阳能电池给体材料的开发中获得的经验表明，聚合物材料通常比小分子材料在光电性质上更为优异。[Nature Communication.2015,6,8547.]

但是，相对于在小分子受体领域的成功，聚合物受体领域的发展则十分缓慢。传统的全聚合物太阳能电池通常采用基于萘二酰亚胺(NDI)或苝二酰亚胺(PDI)的聚合物受体。然而，受限于他们有限的光谱吸收范围以及不强烈的分子聚集行为，基于他们的全聚合物太阳能电池效率仅有 8-10％。小分子受体高分子化成为一种有效的手段使聚合物受体同时具备聚合物的聚集性质以及和小分子相当的光谱电化学性质，基于这种方法得到的基于Y6的苯并噻二唑聚合物受体可以使得相应的全聚合物太阳能电池效率提升到14％以上并且具备优秀的器件稳定性。所以这一研究方向使得有机太阳能电池的商业化可能性更进了一步。[Chem,2020,6,1310.]

而目前与这一类聚合物受体搭配较好的给体材料却主要局限于 PBDB-T-2F(PM6)的二维共轭材料，使得二者搭配的材料共混吸收范围主要集中在550-900nm，而近红外区域光电转换率高的光子则得不到吸收转化，因此，设计并合成相比基于Y6的聚合物受体更窄带隙(Eg,opt1.3eV)的聚合物受体与低或中等带隙的给体聚合物相匹配将是一个新的发展方向。 [Advanced Energy Materials.2013,3,54.]

而拓展聚合物受体分子吸收范围的化学修饰方法除了扩大共轭平面外，引入适当的取代基增强分子内的推拉电子效应(分子内电荷转移)同样可以使吸收光谱向红外方向拓展。其中，在分子骨架中的端基位置(EG) 中引入氟原子可以增强分子内的电荷转移使分子的带隙向内收缩，从而达到光谱红移，吸收范围拓展的效果。此外，氟原子与π平面的特殊的超分子相互作用可以促进高分子链的堆积，从而实现电荷迁移率的增加以及合适的相分离尺度。