[發明專利]含硅芴共軛聚合物及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 200710028956.2
• 申請日: 2007-07-02
• 公開（公告）號: CN101148495A
• 公開（公告）日: 2008-03-26
• 發明（設計）人: 曹鏞;王二剛;王藜
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C08G61/12
• 分類號: C08G61/12;H01L31/0216
• 代理公司: 廣州粵高專利代理有限公司
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及共軛聚合物，更具體的涉及含硅芴共軛聚合物。

本發明還涉及含硅芴共軛聚合物的制備方法。

本發明還涉及該含硅芴共軛聚合物在制備太陽能電池中的應用。

背景技術

隨著全球能源需求的逐年增加，石油等一次性能源逐漸枯竭，人們把眼光投向了太陽能、氫能等可再生能源，太陽能是未來最有希望的能源之一。但作為工業性能源來說，太陽能有能量密度低的缺點，為了充分利用這一廉價、環保、可再生的新能源，生產價廉、高效，能大面積制備的太陽能光電池一直是人們所追求的目標。目前硅基及其他無機金屬間化合物太陽能光電池是這一研究領域的主流。近年來雖然其價格有大幅下降，但成本問題仍然是其大幅取代傳統能源的主要障礙。聚合物光電池因為原料價格低廉、生產工藝簡單、可以用涂布、印刷等方式大面積制備等優點，如果能在性能上取得進一步的突破，將其能量轉換效率提高到接近商品無機材料太陽能光電池的水平，將有可能在生產實踐中得到廣泛的應用。其市場前景將十分巨大。美國，日本，歐盟等給予了大量的投入，歐盟還聯合起來組成了太陽能電池研究所進行研究和開發。自1992年，N.S.Sariciftci等在SCIENCE[N.S.Sariciftci，L.?Smilowitz，A.J.Heeger，et?al.Science，1992，258，1474]上報道發現共軛聚合物與C₆₀之間的光誘導電子轉移現象后，人們在共軛聚合物太陽能電池方面投入了大量研究，并取得了飛速的發展。在給體-受體相界面發生超快光誘導電荷轉移反應，從而產生亞穩態的電荷分離。利用兩種組分(給體/受體)在所謂的“大異質結”上形成的納米尺度范圍的互穿網絡構建一個更大的界面區，確保了在整個池內產生均勻高效的電荷。此后，聚合物太陽能電池的研究主要集中于這種給體、受體共混體系。目前，聚(3-己基噻吩)(P3HT)和富勒烯(C₆₀)的衍生物[6，6](PCBM)共混體系的能量轉化效率已經達到5％[W.Ma，C.Yang，X.Gong，K.Lee，A.J.Heeger，Adv.Funct.Mater，.2005，15，1617]。但是仍比無機太陽能電池的轉換效率低得多，限制性能提高的主要制約因素有：有機半導體器件相對低的電荷遷移率，器件的光譜響應與陸地上太陽輻射光譜不匹配，高光子通量的紅光區沒有被有效利用以及載流子的電極收集效率低等。為了使聚合物太陽能電池得到實際的應用，大幅度提高其能量轉換效率仍是這一研究領域的首要任務。對目前廣泛使用的電子受體相材料--C₆₀衍生物PCBM進行化學修飾的作用似乎不大，因此我們著眼于電子給體相材料--共軛聚合物的選用上。目前報道的比較優異的給體材料包括聚噻吩類，聚苯撐乙烯撐(PPV)類和芴與窄帶隙單體共聚類等。雖然目前報道的給體材料中以聚噻吩類(P3HT)能量轉化效率最高，但P3HT仍然存在著遷移率不夠高，光譜響應范圍不夠寬，不能很好與太陽發射光譜相匹配等缺點。

聚芴及其衍生物是一類優異的電致發光材料，具有較高的熱和化學穩定性，以及較好的成膜性。通常情況下，聚芴具有較大的帶隙，為藍光材料。若在聚芴主鏈中引入低帶隙的單體則可以在整個可見光范圍內調節聚芴共聚物的發光顏色，如通過在聚合物主鏈中引入雜環、多芳環或芳雜環分子來增大聚合物骨架電子云的密度，或采用交替的電子給體-受體體系等，這樣合成的窄帶隙芴基共聚物的吸收光譜可以在很大范圍內進行調節，這就使得這類材料可以具有更寬的光譜相應范圍，以更好的匹配太陽發射光譜。Zhang等[F.Zhang，E.Perzon，etc.Adv.Funct.Mater.，2005，15，745]報道了一種2，3-二苯基-5，7-二(2-噻吩基)噻[3，4-b]并噻二嗪與9，9-二辛基芴的交替共聚物，用該種聚合物為電子給體材料，PCBM為電子受體材料的聚合物太陽能電池，對光的響應達到850nm。在這些窄帶隙的芴基共軛聚物中，芴與4，7-二(2-噻吩基)苯并噻二唑的交替共聚物(PFO-DBT)不但有較高的發光效率，而且用PFO-DBT為電子給體材料，PCBM為電子受體材料的聚合物太陽能電池的能量轉化效率達到了2.2％[M.Svensson，et?al.Adv.Mater.，2003，15，988]，說明該聚合物是一種很有價值的電子給體材料。目前此類材料的研究都是基于聚芴，然后再引入各種窄帶隙單體來調節吸收光譜。而聚芴本身卻有著遷移率不夠高，熱光氧化穩定性不夠好等缺點，這就嚴重限制了這類材料的發展。