[发明专利]含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物及其制备方法和有机太阳能电池

说明书

技术领域

本发明涉及光电子材料领域，特别是涉及含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物及其制备方法和有机太阳能电池。

背景技术

高效率太阳能电池通常是以无机半导体为原料，但目前市场上主要的硅晶太阳能电池由于生产过程工艺复杂，污染严重，耗能大，成本高，抑制了其商业化应用的发展。因此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。有机半导体材料一方面由于有机材料的环境稳定性好、合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好；另一方面由于有机太阳能电池加工过程相对简单，可低温操作，器件制作成本也较低等优点而备受关注，成为最为廉价和有吸引力的太阳能电池材料。除此之外，有机太阳能电池的潜在优势还包括：可实现大面积制造、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携等。

目前，聚合物太阳能电池的研究主要集中于给体、受体共混体系，采用聚苯并二噻吩/噻吩并[3,4-b]噻吩(PTB7)与富勒烯衍生物PC₇₁BM共混体系的能量转化效率已经达到9.2%，但是仍比无机太阳能电池的转换效率低得多。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物。本发明的目的还在于提供含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物的制备方法和有机太阳能电池。

第一方面，本发明提供了一种含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物，为具有如下通式的聚合物P：

式中，R₁和R₂为C₄~C₄₀的直链或支链的烷基；R₃为H原子或F原子；n为10~100之间的整数。

R₁，R₂和R₃基团有助于实现该聚合物在特定有机溶剂中的可溶解性。

优选地，含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物的重均分子量为5000~300000，分子量分布(PDI)为1.2~5.0。

上述含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物中，亚烷基芴中的9位上是sp²杂化的碳原子它与普通的sp³杂化的烷基芴相比，有更好的共轭平面性。用它来作为有机光伏材料的主链结构，能增强聚合物固体材料的p-p堆叠，有利于增加载流子的传输性能，从而提高光电转换效率，因此是一种可用于有机光伏器件给体材料的新型给体单元。

噻吩并[3,4-b]噻吩也是一种比较重要的有机光电材料中间体受体单元，结构式如下图。噻吩并[3,4-b]噻吩及其衍生物由于具有可修饰的结构，并且能增加单体中的醌式结构，降低聚合物的带宽，3位上加入F原子能增强体系的吸电子效应，与给体单元形成给体-受体（D-A）结构，因此研究具有噻吩并[3,4-b]噻吩结构的共轭材料在有机光电领域具有非常重要的作用。

将亚烷基芴及其衍生物和噻吩并[3,4-b]噻吩类单体进行共聚后，得到的聚合物半导体材料能增加载流子的传输性能，有利于载流子在活性层材料内部进行更为有效地传递，并且增加光谱的吸收范围。上述聚合物半导体材料是一种电子给体材料，它与电子受体材料制成光伏器件经过退火后，能有效增加分子内各基团和分子链段间排列的有序性和规整度，提高载流子迁移率的传输速度和效率，进而提高光电转换效率。

第二方面，本发明提供了一种含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物的制备方法，包括以下步骤：

分别提供如下结构式表示的化合物A和化合物B：

式中，R₁和R₂为C₄~C₄₀的直链或支链的烷基；R₃为H原子或F原子；n为10~100之间的整数；

在无氧状态下，按照摩尔比1:1:0.005~0.05将化合物A、化合物B及催化剂溶于第一有机溶剂中，加入碱溶液，在60°C~100°C下回流反应24~72小时，分离纯化后得到含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物，所述含亚烷基芴与噻吩并[3,4-b]噻吩聚合物为具有如下通式的聚合物P：

式中，R₁和R₂为C₄~C₄₀的直链或支链的烷基；R₃为H原子或F原子；n为10~100之间的整数。