[发明专利]一种具有宽吸收谱的四元共轭聚合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有宽吸收谱的四元共轭聚合物及其制备方法和应用，属于材料领域。

背景技术

20世纪70年代石油危机后,世界各国越来越关注能源的可持续性问题。新型可再生能源开发成为当前研究的热点问题。太阳能是可再生的能源,是真正意义上的环保洁净能源,太阳能资源丰富,在全球范围的分配相对均衡,既可免费使用,又无需运输,不产生排放废物,对环境无任何污染。太阳能的开发利用必将得到长久的应用,并最终成为世界能源体系中的主导新能源。

太阳能光电是利用光生伏特效应,将太阳辐射能直接转换为电能,其主要的装置是太阳能电池。目前，无机太阳能电池尤其是单晶硅、多晶硅系列电池目前技术相对成熟，应用也最为广泛，硅基及其它无机金属化合物太阳能电池也成为了这一研究领域的主流。但是其原材料昂贵，制作工艺复杂等问题一直很难克服。与无机材料相比，有机材料以其原料易得、廉价、制备工艺简单、环境稳定性高、可以在卷曲的衬底上柔韧加工等优点，日益被人们重视，成为了新一代太阳能电池研究的一大热点。

对于目前广泛研究的聚合物(polymer)/富勒烯衍生物(PCBM)本体异质结的OPVs(Organic Photovoltaic Cells)，PCBM作为电子受体材料由于具有低的最低未占据轨道能级和高电子迁移率，因而是一类理想的受体材料。由于富勒烯衍生物PCBM在可见光波段内对光的吸收较少，所以就要求给体材料能够对光进行有效的吸收从而来提高OPVs的PCE(Power Conversion Efficiency)。基于此，本发明通过选择吸收波段互补的D、A单元来合成多元共聚物,达到拓宽给体材料对可见光吸收范围的目的。

发明内容

本发明旨在提供一种具有宽吸收谱的四元共轭聚合物，是一种由多受体单元和单给体单元组成的多元聚合物给体材料，用于有机太阳能电池中，使得材料的吸收光谱得到拓宽，提高多项性能。本发明还提供了上述聚合物的制备方法。

本发明提供了一种具有宽吸收谱的四元共轭聚合物，它是以苯并二噻吩衍生物作为给体单元，吡咯并吡咯二酮衍生物、苯并噻二唑衍生物和具有强吸电子的氟取代苯作为受体单元，该聚合物材料的结构通式如下：

式中，X，Y，Z代表三种给受体结构单元之间的比例，且n、X、Y、Z为正整数；

R₁、R₂相同或者不同，R₁、R₂分别选自氢或具有1-20个碳原子的烷基、具有1-20个碳原子的烷氧基、具有1-20个碳原子的酯基、具有1-20个碳原子的砜基及亚砜基、芳基、芳烷基、卤代烷基、杂烷基，具有2-20个碳原子的烯基、由单、双、三键或其组合的取代基取代的芳基；

R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈选自氢或氟。

所述聚合物由以下四种单体聚合而成；其中单体A的结构式为：

单体B的结构式为：

单体C的结构式为：

单体D的结构式为：

进一步地，所述单体D中强吸电子基团氟可以在苯环上的不同位置进行取代，取代基的数目可以是0、1、2或4。

本发明提供了一种具有宽吸收谱的四元共轭聚合物的制备方法，其特征在于：将具有A、B、C、D结构的单体，在催化剂存在下进行偶联反应得到目标产物；具体包括以下步骤：

(1)甲苯脱水：向烧瓶中依次加入甲苯、二苯甲酮和在无水状态下切出的钠块，瓷子搅拌，升温到120℃；待溶液颜色变蓝说明甲苯中的水已除尽，此时用蒸馏头将甲苯蒸出；

(2)将称量好的单体B、C、D倒入容器中，然后迅速抽真空，冲氮气，反复多次，保证反应装置内没有空气；

所述抽真空致溶剂产生气泡，说明空气抽尽，再冲入氮气致满装置。

(3)向容器中再加入称量好的单体A和钯催化剂；再迅速抽真空，冲氮气，反复多次，保证反应装置内没有空气，防止催化剂零价钯被氧气氧化成二价钯；

(4)将油浴锅加热升温，待冷凝管回流速率不变，则说明反应稳定；反应装置中气球与三通活塞相连接，将装置内气体与外界隔开，通过气球体积判断装置内压强变化，若气球体积不发生变化，说明反应装置密闭性良好，再次加紧瓶塞，在瓶塞装置连接处涂抹凡士林，此举便于观察装置是否漏气，然后稳定状态下进行反应48h；