[发明专利]一种含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料技术领域，特别是涉及一种含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物及其制备方法与应用。

背景技术

有机太阳能电池由于具有无机太阳能电池无法比拟的一些优点，如成本低廉，制作工艺简单，产品重量轻，可大面积柔性制备等优点而作为一种有潜力的可再生能源受到人们的广泛关注。在过去的十年中，有机太阳能电池的性能得到稳步提高，能量转换效率已接近10%。但是，到目前为止，有机太阳能电池的光电转换效率比无机太阳能电池还是低很多。

目前有机聚合物太阳能电池的能量转换效率仍然比硅太阳能电池低，原因之一是聚合物的载流子迁移率比无机单晶材料的迁移率低了好几个数量级，而聚合物光电池材料的吸收光谱与太阳光谱不能很好地匹配，是导致能量转移效率低的另一重要原因。为进一步提高聚合物太阳能电池的性能，可采用具有较宽吸收光谱的极窄带隙聚合物做给体和受体，提高对太阳光的吸收利用效率。

提高聚合物太阳能电池的能量转换效率的方法之一是合成新型P-型共轭聚合物，新型P-型共轭聚合物需要具备以下特点：（a）良好的溶解性，利于溶剂加工，实现工业化生产；（b）对整个太阳光谱有宽而强的吸收；（c）载流子迁移率高，利于载流子传输。其中，如何拓宽聚合物的光吸收范围将是研究的重点，通过选择合适的结构单元组成半导体聚合物，利于将聚合物的光吸收范围拓宽到红外、近红外区。为实现有机太阳能电池的商业化，开发新的聚合物材料，提高光电材料的能量转换效率对于有机太阳能电池的发展有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物。

本发明的目的还在于提供含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物的制备方法及应用。

第一方面，本发明提供一种含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物，为具有如下通式的聚合物P：

式中，R₁、R₂为相同的H、C₁~C₁₂的烷基或C₁~C₁₂的烷氧基；R₃、R₄为相同或不同的H或C₁~C₁₂的烷基，R₅为C₁~C₁₂的烷基或C₁~C₁₂的烷氧基，R₆为H或者F，n为10~70之间的自然数。

本发明的含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物的结构中含有环戊并二噻吩单元，具体为4,4-联苯基环戊并[2,1-b;3,4-b’]二噻吩单元，该单元具有特殊的空间立体结构，类似于螺芴结构，其中芴和环戊并二噻吩通过C原子进行螺旋连接，该碳原子的分子轨道为sp3杂化，四面体的构像使其成为螺旋连接的中心，而芴和环戊二噻吩两个平面则形成正交垂直，该特殊的空间立体结构不仅阻碍分子间的紧密堆积，而且能增加分子的刚性，使含有类似螺芴的该给体单元的聚合物刚性增强，一方面可提高聚合物材料的热稳定性和环境稳定性，另一方面可提高聚合物材料的结晶性，从而提高载流子迁移率。同时，芴和环戊并二噻吩都是优良的给电子单元，被广泛的应用在有机光电等领域，而且环戊并二噻吩虽与芴结构类似，但其带隙比芴窄，使4,4-联苯基环戊[2,1-b;3,4-b’]二噻吩单元与螺芴单元相比，更有利于降低聚合物的带隙，扩大光吸收范围。

同时，本发明的含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物结构中含有噻吩并噻吩单元，该单元是性能优良的受体单元，首先，它是具有良好的平面性的富电子单元；其次，与噻吩相比，噻吩并噻吩结构具有更大的п共轭体系，将其引入到聚合物骨架中，有利于聚合物分子链间的п-п堆积，增强聚合物分子结构的有序性，改善其载流子迁移率。此外，本发明的噻吩[3,4-b]噻吩单元带有酯基/羰基取代基，酯基/羰基的吸电子诱导效应有利于降低聚合物的HOMO能级，及提高聚合物的化学稳定性。

本发明的含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物含有以上两种单元，具有新的共轭平面结构，以及优异的太阳光匹配性和载流子迁移性能，能量转换效率高，应用前景广阔。

第二方面，本发明提供一种含噻吩并噻吩-环戊并二噻吩聚合物的制备方法，包括以下操作步骤：

提供化合物A和化合物B，化合物A和B的结构式分别为：