[发明专利]含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料领域，具体涉及一种含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料及其制备方法和应用。

背景技术

有机太阳能电池器件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，因而作为一种具有潜力的可再生能源受到人们的广泛关注。在过去的十年里，有机太阳能电池器件的性能有了稳步提高，能量转换效率已接近10%。尽管如此，有机太阳能电池器件的光电转换效率还是比无机太阳能电池要低很多。因此，要想实现有机太阳能电池器件的商业化，开发新型的有机半导体材料对于提高有机太阳能电池器件的效率具有重要意义。

近年来，由于在共轭聚合物的设计和器件制造工艺上的进步，聚合物太阳能电池的效率已取得很大提高。聚合物太阳能电池未来面临的挑战之一就是合成新型的P-型共轭聚合物，它需要具备以下特点：（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将是研究的重点。在半导体聚合物骨架中选择合适的单体，有利于将聚合物的光吸收范围拓宽到红外、近红外光区。其中的策略之一是在聚合物骨架中引入富电子的给体单元和缺电子的受体单元。通过给受体中这种“推-拉电子”的相互作用，降低共轭聚合物的能隙，使其吸收带向红外及近红外低能波段移动。

苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩是一类很有前途的给体单元，其在有机电子等领域的应用，特别是在有机聚合物太阳能电池方面已得到广泛研究。目前，吴宏滨等人制得的基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩的聚合物倒置太阳能电池，以9.2%的能量转换效率刷新了聚合物太阳能电池的最高记录（参考文献：Nature Photonics,2012,190）。由于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩类单体具有很好的对称性和平面性，因此基于它的聚合物具有良好的载流子迁移率。而吡咯吲哚并二噻吩类单元是基于苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩的衍生物，是一类强的电子给体材料。吡咯吲哚并二噻吩类单元在保持苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩很好的对称性和平面性的同时，增加了单体的共轭程度，有利于载流子的迁移。其中，N-烷基化有利于提高单体的溶解性，从而改善了材料的加工性能。

二噻吩并[3’,2’:3,4;2”,3”:5,6]苯并[1,2-c][1,2,5]噁二唑是在苯并[1,2-b:6,5-b’]二噻吩-4,5-二酮的基础上衍生的，它与苯并[1,2,5]噁二唑一样是一种优良的电子受体单元。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料。本发明还提供了该含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料的制备方法以及其在有机太阳能电池器件、有机电致发光器件或有机场效应晶体管器件中的应用。

第一方面，一种含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料，结构式如P所示：

式中，R₁为C₁～C₁₆的烷基，R₂，R₃为H或C₁～C₁₆的烷基，n为5～60之间的整数。

优选地，所述含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料，包括以下共轭聚合物材料中的一种：

该含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料是一类D-A型共轭聚合物材料，包括强的电子给体单元吡咯吲哚并二噻吩类衍生物与强的电子受体单元二噻吩并[3’,2’:3,4;2”,3”:5,6]苯并[1,2-c][1,2,5]噁二唑；其中，吡咯吲哚并二噻吩类单元有很好的对称性，平面性和有较高的共轭程度，有利于载流子的迁移，且其N-烷基化有利于提高单体的溶解性，从而改善了材料的加工性能；二噻吩并[3’,2’:3,4;2”,3”:5,6]苯并[1,2-c][1,2,5]噁二唑是一种优良的电子受体单元，其通过与吡咯吲哚并二噻吩类单元的聚合，形成的共轭聚合物具有给受体间“推-拉电子”的相互作用，能降低能隙，从而提高材料的光吸收范围。

第二方面，本发明还提供了一种含吡咯吲哚并二噻吩-二噻吩并苯并噁二唑共轭聚合物材料的制备方法，包括如下步骤：

制备或提供如下结构式表示的化合物A和化合物B：