[发明专利]一种全共轭嵌段聚合物半导体材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种全共轭嵌段聚合物半导体材料、制备方法及应用，属有机聚合物半导体材料技术领域。本发明提供的共轭聚合物为D1‑A1‑D2‑A2结构型，D1，D2代表具有给电子能力的基团，A1,A2代表具有拉电子能力的基团，D1，D2和A1，A2独立地代表未取代或含有取代基的下述基团中的任意一种：单环亚芳基，双环亚芳基、单环杂亚芳基、双环杂亚芳基和稠环结构。本发明提供的聚合物具有性能精确可控，结构多样化的特征，应用于有机聚合物太阳能电池，能有效提升共轭半导体聚合物的性能，无需采用溶剂添加剂或后期退火的方式，即可取得4.2%的光电转换效率，制备得到高性能太阳能电池，并简化了电池的制备工艺。

技术领域

本发明涉及一种共轭聚合物半导体材料、制备方法及应用，属于有机聚合物半导体材料领域。

背景技术

低温溶液法制备有机光电子器件是目前科研界和工业界关注的热点，而决定目前有机光电子器件产品化商业化的最大障碍是产品的性能和成本，由于目前有机光电子器件的性能主要取决于所采用的有机分子的性能，所以开发新型的有机分子材料将是解决未来能量储存，光电转换，开发高效廉价半导体器件等关键(Y.-J.Cheng,S.-H.Yang,C.-S.Hsu,Chem.Rev.2009,109,5868)。

在过去的十多年中，高性能有机半导体材料的研发取得了长足的发展。在有机太阳能电池，有机发光二极管和有机场效应晶体管中也取得了优异的性能(J.H.Burroughes,D.D.C.Bradley,A.R.Brown,R.N.Marks,K.Mackay,R.F.Friend,P.L.Burn,A.B.Holmes,Nature.1990,347,539；M.A.Baldo,D.F.O’Brien,A.Shoustikow,S.Sibley,M.E.Thompson,S.R.Forrest,Nature 1998,395,151.)，但是与商业化的性能门槛相比还有不少的距离，但是有机分子材料具有结构可设计性，性能可控，能进行低温溶液法制备，可研发柔性半透明的大面积器件，这些独特的优势是的有机光电子器件具有广阔的研发前景，以有机聚合物太阳能电池为例，2000年诺贝尔化学奖得主Alan J.Heeger等(G.Yu,J.Gao,J.C.Hummelen,F.Wudl,A.J.Heeger,Science 1995,270,1789)首次报道通过溶液旋涂方法制备得到以聚(3-

己基)噻吩和富勒烯衍生物(PCBM)为光敏层材料的高效聚合物太阳能电池器件以来，有机聚合物太阳能电池在过去的十多年中光电转换效率已经从最初的1％提高的现在的12％(Z.He,B.Xiao,F.Liu,H.Wu,Y.Yang,S.Xiao.C.Wang,T.P.Russell,Y.Cao,Nat.Photonics 2015,9,174)，达到了商业化10％的要求，得益于新型有机半导体材料的研发和器件制备工艺的优化，有机太阳能电池取得了长足的发展，但是目前此类电池还存在能量损失高，目前的有机材料介电常数较低，有机太阳能电池制备时形貌不可控等不足，这使得后期的新材料研发有了明确的方向。

目前，广泛用于有机太阳能电池的有机分子材料主要采用D-A型的分子设计思路，通过这种方法可以很好的控制这种给体-受体型材料的光学吸收，电学能级，分子主链的平面性，分子间的相互作用力，是一种有效的提升材料光电转换性能的方法(J.Roncali,Chem.Rev.1997,97,173)，在器件的后期制备方面，文献(W.Ma,C.Y.Yang,X.Gong,K.Lee,A.J.Heeger,Adv.Funct.Mater.2005,15,1617；J.Peet,J.Y.Kim,N.E.Coates,W.L.Ma,D.Moses,A.J.Heeger,G.C.Bazan,Nat.Mater.2007,6,497.)报道了有机太阳能电池需要通过热退火或采用高沸点的溶剂添加剂达到调整相分离的目的，这些繁琐的步骤不仅不利于商业化产品开发，更会对器件的寿命有所影响，因此，新型的分子材料设计需要以器件制备和性能为导向，能对材料的性能有精确的控制，更需要从材料本身来简化器件的制备步骤。

发明内容