[发明专利]一种吡咯并吡咯二酮聚合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于有机太阳能电池材料领域，涉及一种吡咯并吡咯二酮聚合物及其制备方法和应用。

背景技术

有机太阳能电池因为其可以在诸多复杂环境中为人类提供清洁而且廉价的能源，实现了多功能性的使用方式和用途，一直得到了科研人员的广泛关注和深入研究。在目前的工作中，由共轭聚合物或小分子/富勒烯衍生物小分子作为给体和受体的本体异质结(BHJ)的聚合物太阳能电池的能量转换效率(PCE)已经达到了11％以上。然而，富勒烯衍生物有着极有挑战性的难以克服的缺点，如制备方法复杂，成本高昂，活性层的相稳定性差以及其光谱吸收较差不易产生良好的吸光互补。在富勒烯体系中，给体分子的设计原则通常用实现低HOMO来迎合富勒烯的能带，这使得器件的可调节性下降，局限了给体分子的选材范围。当给体的HOMO能级降低到与富勒烯受体相匹配时，给体的LUMO能级将与富勒烯材料的LUMO能级接近从而无法产生良好的激子分离，这是一个较为矛盾的现象。非富勒烯分子受体的开发向大家展示了非富勒烯体系在有机太阳能电池中的巨大的应用潜力。由共轭聚合物作为给体和ITIC衍生物作为受体的本体异质结(BHJ)的聚合物太阳能电池的能量转换效率(PCE)据报道已经达到12％以上。新的非富勒烯聚合物受体的设计合成是另一种方式来实现更高的功率转换效率(PCE)的方法，其重要意义在于实现全聚合物太阳能电池，其器件的加工性能和相热稳定性应该具有较大的竞争力。

吡咯并吡咯二酮(DPP)基聚合物由于其优异的光电性能和卓越的激子迁移率，已引起人们的广泛关注，被广泛应用于有机场效应晶体管和有机太阳能电池的研究和应用中。DPP基聚合物有着较宽的吸收范围，可以实现在红外区的有效吸收，这在有机太阳能电池中具有重要意义。

因此，在本领域中，期望开发一种能够使得有机太阳能电池器件具有良好性能的吡咯并吡咯二酮聚合物电池材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种吡咯并吡咯二酮聚合物及其制备方法和应用。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种吡咯并吡咯二酮聚合物，所述吡咯并吡咯二酮聚合物具有如式I所示的结构：

其中，Ar₁和Ar₂不同，分别独立地选自或R为碳原子数为10-25的直链烷基或支链烷基，R₁为或n＝40～160，例如40、43、45、48、50、55、60、65、70、80、90、100、110、120、130、140、150或160。

在本发明中，所述吡咯并吡咯二酮聚合物中吡咯并吡咯二酮基两侧具有噻吩和苯并噻吩基团，得到不对称的DPP共聚物，通过分子中这种不对称的共轭单元的相互配合，协同作用，可以改变吡咯并吡咯二酮聚合物的吸收带边和能级，使得具有较窄的能量带隙和更宽的吸收带边，和较高的双极性激子迁移率，从而可用于构筑良好的场效应晶体管器件和高效能量转化效率的有机太阳能电池器件。

在本发明所述的式I-III所示的结构的聚合物中Ar₁和Ar₂不同，分别独立地选自或是指在所述聚合物中，可以是每个重复单元中，Ar₁均相同，Ar₂均相同，即每个重复单元相同；也可以是在重复单元中Ar₁不同，Ar₂不同，例如第一个重复单元中Ar₁为Ar₂为第二个重复单元中Ar₁为Ar₂为

在本发明中，R为碳原子数为10-25的直链烷基或支链烷基，例如碳原子数为10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或25的直链烷基或支链烷基，优选碳原子数为12-20的直链烷基或支链烷基。

优选地，所述吡咯并吡咯二酮聚合物为具有如式A-C所示的结构的聚合物中的任意一种或至少两种的组合：

其中，Ar₁和Ar₂不同，分别独立地选自或n＝40～160，例如40、43、45、48、50、55、60、65、70、80、90、100、110、120、130、140、150或160。

第二方面，本发明提供一种如上所述的吡咯并吡咯二酮聚合物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：