[发明专利]一种窄带隙聚噻吩类衍生物的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种共轭高分子材料的制备，具体涉及一种窄带隙聚噻吩类衍生物的合成方法。

背景技术

近年来，随着能源危机的加剧，积极发展低价高效的新型太阳能光伏电池技术具有非常重大的现实意义。其中有机薄膜光伏太阳能电池因其原料廉价、柔性以及良好的加工性能等优势，成为未来太阳能光电转换技术领域研究的一个热点。在有机薄膜光伏器件中，光学活性层是整个器件的核心部分。光学活性层由p-型和n-型有机半导体组成，选取合适的电子给体材料与电子受体材料，最大程度的降低器件各个物理过程中的能量损失，提高器件的光电转换效率是目前有机薄膜光伏技术领域的主要研究内容。

近来中国科学院化学所李永舫研究组利用P3HT与富勒烯衍生物ICBA制备的体相异质结电池的光电转换效率达到了6.5 % (Zhao G, He Y, Li Y, 6.5% Efficiency of Polymer Solar Cells Based on poly(3-hexylthiophene) and Indene-C60 Bisadduct by Device Optimization Adv. Mater. 2010, 22 (39), 4355-4358)，达到了较高的效率，但由于P3HT的光谱带宽为1.85 eV，它只能吸收光谱波长小于670 nm的可见光，而这部分太阳光的能量仅占太阳光光谱的44%左右，因此，降低有机共轭半导体材料的光谱带宽，扩展材料的光谱响应能力成为进一步提高光电转换效率的一个重要途径。鉴于此，近年来有机光伏半导体开发的重点转向了具有较窄带隙的新型共轭高分子材料。

为了开发新型窄带隙共轭高分子材料，Yu等人合成了一系列二噻吩并苯-噻并[3,4-b]噻吩的共聚物 (Liang Y, Yu L, A New Class of Semiconducting Polymers for Bulk Heterojunction Solar Cells with Exceptionally High Performance Acc. Chem. Res. 2010, 43 (9), 1227-1236)。这一系列化合物中噻并[3,4-b]噻吩单元与二噻吩并苯的大π共轭体系的共同作用使分子具有良好的平面性，同时噻并[3,4-b]噻吩单元能够稳定聚合物分子共轭链中的醌式结构，可以有效降低材料的光谱带宽（~ 1.6 eV）。利用这一系列分子制备的有机薄膜光伏器件的效率可以突破7%，成为目前首个实现单结有机薄膜光伏器件效率突破7%的高分子材料，具有良好的应用前景。

目前该类新型窄带隙共轭高分子材料的合成均采用二噻吩并苯锡化单体与二溴代噻并[3,4-b]单体聚合的方法制备，但该合成方法存在反应过程繁琐、合成路线长，以及使用毒性大的锡试剂，环境不友好等缺点。鉴于此，开发一种方法简单、经济有效、环境友好的合成方法来制备该类新型窄带隙共轭高分子材料具有非常重要的实用价值。

发明内容

本发明旨在提供一种制备具有较窄能带间隙的聚噻吩类共轭高分子材料的简单、经济有效、环境友好的合成方法，以克服现有技术存在的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用的窄带隙聚噻吩类衍生物的合成方法为：将如下通式（I）和通式（II）两种不同的噻吩类衍生物单体，在催化剂作用下，活化噻吩环上的C-H键直接进行偶联聚合反应，得到所述的窄带隙聚噻吩类衍生物。

 

其中：n为重复单元数目，n大于或等于1， R₁任选为直链或支链烷基酯基，直链或支链烷基羰基；R₂任选为直链或支链烷氧基，直链或支链烷基；X为H或F原子，Y、Z任选为卤素原子或H原子，前提是：当Y为卤素时Z为H，当Z为卤素时Y为H。

进一步的讲，该聚噻吩类衍生物的合成方法包括如下步骤：

将如下通式（I）和通式（II）两种结构的噻吩类衍生物单体按照1:1化学计量比混合，

   （I）    （II）

R₁任选为直链或支链烷基酯基，直链或支链烷基羰基；R₂任选为直链或支链烷氧基，直链或支链烷基； X为H或F原子；Y、Z任选为卤素原子或H原子，前提是：当Y为卤素时Z为H，当Z为卤素时Y为H；