[发明专利]可交联的含氟苯封端的基于咔唑和双噻吩基取代的二氟苯并噻二唑的液晶共轭聚合物及其在太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种可交联的含氟苯封端的基于咔唑和双噻吩基取代的二氟苯并噻二唑的液晶共轭聚合物及其在太阳能电池中的应用。

背景技术

随着全球能源需求量的逐年增加，能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题。太阳能是目前世界上可以开发的最大能源，而且洁净无污，日益成为绿色能源的首选。相比较于成本高、污染大的无机太阳能电池，聚合物太阳能电池成本低廉、光伏材料分子结构的可设计性、柔韧性好、制备工艺简单、环境友好、轻便易携，已成为近几年来国内外研究的热点。但光电转化效率较低一直是制约此类电池商业化的关键问题，而影响效率的主要因素包括有机半导体聚合物的吸收光谱与太阳光辐射光谱不匹配、活性层微观形貌的有序性较差、器件的稳定性差。针对以上问题，近年来人们开发出许多新的聚合物，尤其是窄带隙D-A型共轭聚合物，人们可以通过改变亲电子基团在聚合物结构中的比重，从而实现HOMO和LUMO 能级位置的调制，进而得到能级匹配且能带宽度较小的聚合物材料，如PCDT BT [Nature Photonics, 2009, 3, 297-302]、PFDCN [J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 13886-13887]、PSiF-DBT [Appl. Phys. Lett., 2008, 92, 033307]、PSB-TBT [J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 16144-16145]，此类型共轭聚合物能拓宽光吸收范围，使聚合物材料的吸收光谱与太阳光的发射光谱更加匹配，吸光度提高。另外，人们在设计合成光敏层材料时，控制优化其微观形貌, 增强其有序性，为载流子的形成与迁移提供良好的界面与通道, 以利于电极对其的收集。但由于聚合物低的玻璃化转变温度和活性层中组分间的不相容性，太阳辐射所产生的热易导致器件性能降低，以这些窄带隙共轭聚合物为光敏层的太阳能电池的使用寿命和稳定性都有待进一步研究和提高。此外，研究发现用含氟封端剂对共轭聚合物进行末端功能化保护[Adv. Mater. 2010, 22, 1355–1360]，能促使聚合物的表面能接近于PCBM表面能，达到聚合物与PCBM间的均匀分散，并能抑制PCBM过快聚集，形成优化的微观相分离，从而提高活性层的空穴电子传输率。

在研究过程中，我们在咔唑上引入可交联单元，将其与双噻吩基取代的二氟苯并噻二唑共聚，用含氟苯封端剂对其端基进行功能化，得到一系列的D-A型窄带隙液晶共轭聚合物。这种窄带隙共轭聚合物的光吸收范围宽，并具有液晶特性，其诱导作用增强活性层的有序性，提高载流子迁移效率及电极对载流子的收集效率。可交联单元的引入可得到交联的、结构稳定的活性层材料，提高器件的稳定性和使用寿命。将这种结构的共轭聚合物应用于太阳能电池，到目前为止，国内外并无相关文献和专利报道。

发明内容

本发明提供了一种可交联的含氟苯封端的基于咔唑和双噻吩基取代的二氟苯并噻二唑的液晶共轭聚合物及其在太阳能电池中的应用。在咔唑上引入可交联单元，将其与双噻吩基取代的二氟苯并噻二唑共聚，用含氟苯封端剂对其端基进行功能化，得到一系列的D-A型窄带隙共轭聚合物，同时研究其作为太阳能电池活性层的应用。

本发明是通过以下技术方案实现的。

1.本发明提供一种可交联的含氟苯封端的基于咔唑和双噻吩基取代的二氟苯并噻二唑的液晶共轭聚合物，其特征在于其具有以下结构式：

式中：

代表给体，代表受体；n为聚合物主链单元的重复个数，为自然数1-100。

式中， R₁和R₂为相同或不同的带有双键、氧丁环、溴基中的一个或多个的侧链。

R₃、R₄、R₅、R₆为相同或不同的氢、碳原子数为1到20的直链或支化链的烷基、碳原子数为3到20的环烷基、碳原子数为1到20的直链或支化链的烷氧基, 碳原子数为1到20的直链或支化链的烷氧苯基，或包含一个或多个芳香环的芳基。

Ar₁、Ar₂为含氟苯封端保护基团；Ar₁、Ar₂可以是相同或者不同的功能基团，优选为如下的功能基团中的任意一个。

功能基1： 

功能基2（单氟苯）：

          

功能基3（二氟苯）：