[发明专利]基于单一聚合物的宽吸收材料的制备

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种有机太阳能电池材料的制备。

背景技术

1906年和1913年Pochettinol和Volmer分别报道了有机固态蕙晶体的光导效应，成为有机太阳能电池研究的标志性开端，并为以后的发展奠定了基础。自第1个有机太阳能电池问世以来，至今其最高转化效率已经达到10％左右。太阳能电池的工作原理是基于P-N结的光生伏打效应，。当N型半导体与P型半导体通过适当的方法组合到一起时，在二者的交界处就形成了P-N结。由于两种材料载流子(电子和空穴)浓度存在差异(费米能级差异)，导致电子从N型半导体扩散到P型半导体中，空穴的扩散方向正好相反，当二者的费米能级平衡后，P-N结达到平衡，在结区形成内建电场。在聚合物太阳能电池中，我们通常将P型材料称为给体(D)，把N型材料称为受体(A)，当光照到了电池的材料时，就会激发产生激子(电子-空穴对)，如果光从给体材料一侧人射，电子就顺着价带能量降低的方向，从给体的导带转移至受体的导带，同样当光照到了电池的受体材料时，空穴就顺着导带能量升高的方向，从N区的价带转移至P区的价带。当电子和空穴从激子中分离开以后，就成为自由电子和空穴，分别扩散至电极，从而产生光电流。近年来，由于有机聚合物的良好加工性、柔韧性、以及成本低廉等特点受到广泛关注，制备含D-A结构的P-N异质结有机聚合物材料成为研究的热点。文献中报道的P-N异质结有机聚合物材料一般为含D-A结构的两组分交替共聚物，这类窄带隙材料吸收多在500-700nm之间。因此，合成覆盖整个可见区域的宽吸收、窄带隙聚合物材料对于提高太阳光能的利用率，从而提高光电转化效率是十分必要的。比如加拿大Laval大学的Mario Leclerc等人合成的包含2，7-二溴-9-辛基-9H-咔唑单元和2，1，3-苯并噻二唑单元的P-N异质结有机聚合物材料，紫外吸收宽度可达300-700nm，光电转换效率为3.6％(Adv.Mater，2007，19，2295-2300)。目前聚合物材料组装的太阳能电池器件的光电转化效率最高值为6.5％，是由A.J.Heeger等人利用叠层器件实现的(science，2007，317，222-225)。其中两种聚合物材料的吸收恰好可以互补，结果得到一个几乎覆盖整个可见区的宽吸收。显然这种良好的吸收性质对于高的光电转化效率起着非常重要的作用。但是，来自单一聚合物的宽光谱强吸收聚合物太阳能电池材料却罕见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一类宽吸收有机太阳能电池材料的制备方法；

本发明的另一目的是提供这类有机太阳能电池材料在有机太阳能电池中的应用。

本发明制备的太阳能电池材料是一种包含三组份的P-N异质结无规共聚物。利用分子内不同嵌段对应的吸收不同以及分子间堆积产生的吸收，实现宽吸收。同时，可以通过控制两种不同嵌段的相对含量来调节聚合物材料在不同位置(高能带和低能带)的吸收强度，从而获得一类具有宽光谱、窄带隙聚合物太阳能电池材料的制备方法。

本发明制备的太阳能电池材料具有以下通式：

m∶n＝10∶1；8∶2；7∶3；5∶5；3∶7；2∶8；1∶10

A结构可以为：

D结构可以为：

制备过程如下：

在氮气保护下，将化合物A、D的单体(二溴化物)和5，5′-二(三甲基锡基)-2，2′-联噻吩按一定物质的量比溶于3mL的氯苯中，加入5％的四(三苯基磷)钯为催化剂，在100-125℃条件下回流48-60h，然后加入1mol％的溴苯，继续反应8-10h，再加入1mol％的2-三甲基锡基-3-辛基噻吩，8-10h后停止反应。冷却至室温后，用30mL的无水甲醇进行沉降、过滤，得到黑色固体，产物干燥后，先用150mL的丙酮进行索氏提取24-48h，在用150mL的正己烷提取24-48h，剩余物真空干燥得到黑色固体。

本发明制备的聚合物材料产率都在60％以上，各种材料都具有很宽的紫外可见吸收和窄带隙的特点，有助于改善和提高有机太阳能电池的吸收和性能。

具体实施方式

实施例1：PA17D13的合成