[发明专利]含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及有机半导体材料技术领域，特别是涉及一种含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

利用廉价材料制备低成本、高效能的太阳能电池一直是光伏领域的研究热点和难点。传统的硅太阳能电池虽然具有较高的效能，但是其生产工艺复杂、成本高，限制了其进一步应用。为了降低太阳能电池的生产成本，拓展其应用范围，人们一直在寻找新型的太阳能电池材料。

聚合物太阳能电池因原料价格低廉、质量轻、柔性好、生产工艺简单、可大面积柔性制备等优点而备受关注。但是聚合物太阳能电池的光电转换效率比硅太阳能电池低很多，如果能够将聚合物太阳能电池光电转换效率提高到接近商品硅太阳能电池的水平，其市场前景将是非常巨大的。

人们在聚合物太阳能电池方面投入了大量研究，研究表明聚合物太阳能电池未来面临的挑战之一就是合成新型的聚合物材料，而聚合物材料需要具备以下特点：（a）良好的溶解性，有利于溶剂加工，实现工业化生产；(b)对整个太阳光光谱有宽而强的吸收；(c)高的载流子迁移率，有利于载流子传输。其中，如何拓宽聚合物材料的光吸收范围，使其光吸收范围最大程度地覆盖整个太阳光光谱对提高聚合物太阳能电池的光电转换效率至关重要。

发明内容

基于此，有必要提供一种光吸收范围宽的含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物。

一种含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物，结构式如下：

其中，n为1~100的整数；

R₁为C₁~C₂₀的烷基或R₂、R₃及R₄为H、C₁~C₂₀的烷基或C₁~C₂₀的烷氧基；

R₅、R₆及R₇为H或C₁~C₂₀的烷基。

上述含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物具有很多优点：首先，富电子的给体单元萘四羧酸二酰亚胺与缺电子的受体单元吡咯并吡咯二酮，通过给受体这种“推-拉电子”的相互作用，降低了共轭聚合物的能隙，不但可以使其吸收带向红外及近红外低能波段移动，拓宽含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物的光吸收范围，而且还可以提高载流子的迁移率；其次，在萘四羧酸二酰亚胺结构中引入的吡咯并吡咯二酮能在一定程度上扭转了共轭聚合物链间的π-π非键作用强度强于分子内部的化学键键合强度的现象，改善了共轭聚合物的溶解性。而且，上述含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物在吡咯并吡咯二酮单元的两端引入了噻吩基团，形成电子给体-受体-给体结构也有利于提高聚合物的光电性能。因此含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物具有光吸收范围宽、载流子迁移率高、溶解性好等特性。

一种含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物的制备方法，包括如下步骤：

提供化合物A和化合物B，所述化合物A的结构式为：所述化合物B的结构式为：其中，R₁为C₁~C₂₀的烷基或R₂、R₃及R₄为H、C₁~C₂₀的烷基或C₁~C₂₀的烷氧基，R₅、R₆及R₇为H或C₁~C₂₀的烷基；

将化合物A和化合物B按照摩尔比为1:1~2:1的比例在催化剂和有机溶剂中进行Stille偶合反应，分离纯化后即得到具有如下结构式的所述含吡咯并吡咯二酮和萘四羧酸二酰亚胺单元的共轭聚合物：

n为1~100的整数。

在其中一个实施例中，所述Stille偶合反应的反应温度为50~120℃，反应时间为24~72小时。