[发明专利]聚苊并喹喔啉类共轭聚合物及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及苊并喹喔啉类聚合物及制备方法，以及该类共轭聚合物在聚合物太阳能电池中的运用。

背景技术

近年来，聚合物太阳能电池由于其廉价、柔性、大面积等优点成为清洁、可再生能源研究领域的研究热点。经过科研工作者不懈的努力，在短短十来年的时间里，伴随着新材料的不断开发，其光电转换效率就从 10^-2-10^-3％提高到了9.2%[ Service, R. F. Science 2011, 332, 293.], 但要满足实用化需求，仍需要进一步提高光电转换效率，而寻求新型共轭聚合物材料是实现这一目标的最重要手段之一。

太阳电池的转换效率是由器件的开路电压(V_OC)、短路电流(J_SC)和填充因子(FF)所决定的，新材料研发的重点主要集中在调控材料具有较低的能隙（以获得较高的J_SC）、较低的HOMO能级（以获得更高的V_OC）和较高的载流子迁移率（以获得较高的J_SC和FF）。在聚合物的主链上引入刚性的平板结构，有利于聚合物链段的面面堆积，从而降低材料的能级并提高聚合物的载流子迁移率，因而已成为一种非常有效的设计有机太阳能电池新材料的策略。从2009年起，美国斯坦福大学的Zhenan Bao课题组报道了一系列基于具有大平板结构的萘基噻吩吡嗪类聚合物，并将其应用于有机太阳能电池，遗憾的是这些材料的光伏性能并不令人满意，主要源于器件的开路电压太低（Voc=0.515~0.725 V） [H. A. Becerril, R. Mondal, Z. Bao，et al. J. Mater. Chem.2009, 19, 591.；N. M. Mondal, H. Becerril, J. E. Norton, et al. Chem. Mater. 2009, 21, 3618.；Rajib Mondal, H.A.B., Eric Verploegen, Zhenan Bao, et al. J. Mater. Chem. 2010, 20, 5823]。

为降低苊并噻吩吡嗪类聚合物的HOMO能级，本发明用苯基取代噻吩基，设计合成了新型大平板结构单元——苊并喹喔啉，与苯并二噻吩、噻吩、3,6-咔唑、芴和二维苯并二噻吩单元共聚，获得了一系列深HOMO能级的材料，所制备的有机太阳能电池器件获得了更高的开路电压。

发明内容

本发明的目的之一在于制备一种基于聚苊并喹喔啉类的新型共轭聚合物材料，该类材料含具有大平板刚性结构单元，可用于有机太阳能电池。

本发明的聚苊并喹喔啉类共轭聚合物，其结构特征在于具有如下通式Ⅰ：

                                                 

式Ⅰ中，

所述Ar是以富电芳环为构造单元；R₁是以氢原子或者碳原子数为1-20的直链或支链的烷基；R₂是以氢原子或者碳原子数为1-20的直链或支链的烷氧基。

所述Ar优选为如下单体1-5中的任意一个： 

   

            单体1            单体2             单体3                  单体4              

      单体5

其中，不同单体中的R分别可为氢原子或者碳原子数为1-20的直链或支链的烷基或烷氧基。

本发明的目的之二在于提供聚苊并喹喔啉类新型共轭聚合物的制备方法，其特征在于步骤和条件如下：

以5,8-二（2-溴-3-烷基5-噻吩基）-苊并喹喔啉单体为摩尔量配比标准，将等摩尔量的Ar的双锡盐单体或者硼酸酯，0.05倍摩尔量的催化剂四三苯基膦钯加入反应器中，氩气保护下，加热回流反应72 h，反应完毕，将所得到的聚合物在在甲醇中沉降，抽滤，收集到的聚合物依次用丙酮和正己烷进行索氏提取48 h，40 ℃真空干燥24 h。

本发明的目的之三在于提供本发明聚苊并喹喔啉类新型共轭聚合物的用途。