[發明專利]一類基于5-氟-6-烷氧基-苯并噻二唑共聚物、制備方法及其在有機太陽電池中的應用

有效

• 申請號: 201310560184.2
• 申請日: 2013-11-13
• 公開（公告）號: CN104629007B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 李翠紅;李光武;薄志山
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: C08G61/12
• 分類號: C08G61/12;H01L51/46;C07D417/14
• 代理公司: 北京匯思誠業知識產權代理有限公司 11444
• 代理人: 王剛;龔敏

本發明公開了一類基于5?氟?6?烷氧基?苯并噻二唑共聚物、制備方法及其在有機太陽電池中的應用。設計了含有5位為氟、6位為烷氧基鏈的苯并噻二唑的聚合物材料。由于氟原子的吸電子性，它的引入可以調整聚合物的能級；由于氟原子與氟原子之間的偶極相互作用，有利于聚合物在處于固態時主鏈形成緊密的堆積從而提高載流子遷移率；烷氧基的引入可以增加聚合物的溶解性。本發明公開了一類基于5?氟?6?烷氧基?苯并噻二唑共聚物，其具有非常好的平面性、較低的HOMO能級、良好的溶解性以及優異的太陽光捕獲能力和空穴傳輸能力，是有機電子器件如太陽能電池、場效應晶體管和發光二極管中理想的有機半導體材料。其通式如上所示：。

技術領域

本發明屬于有機太陽能電池材料研究領域，特別涉及一類基于5-氟-6-烷氧基-苯并噻二唑給受體交替共聚物、其制備方法及其在有機太陽能電池中的應用。有機太陽能電池以有機半導體作為活性層材料，具有材料合成簡易、制備成本低廉、重量輕、工藝簡單(旋涂、蒸鍍、噴墨打印、絲網印刷等方法制備成膜)、可在柔性襯底上制備、易于大面積生產等獨特優勢，顯示出巨大的研究和發展價值。該類電池已成為近些年有機光電材料與器件研究的前沿熱點之一。

背景技術

1995年，Yu等人提出了本體異質結的新型太陽能電池器件結構，該結構是將聚合物給體同受體材料共混形成互穿網絡的共混薄膜，提高給體／受體的兩相界面面積，便于激子分離，從而有利于光電轉換效率的提高，該結構器件將聚合物太陽能電池的發展帶入了一個新階段。最近幾年，大量的新材料表征以及器件研究工作幾乎都是圍繞該結構器件進行的，使用富勒烯衍生物作為受體，經過十幾年的發展，基于有機共軛材料的本體異質結太陽能電池已經取得了長足的進步，一系列新型的材料被合成出來并加以利用，能量轉換效率已經達到12％，顯示出有機太陽能電池的廣闊應用前景。

本體異質結器件之所以能夠在光電轉換效率上取得如此大的突破，主要是因為其具有以下優點：首先，它擴大了給體受體兩相界面，使電荷分離來源于整個活性層，并非像雙層那樣局限于狹小的接觸面積；其次，本體異質結器件中電荷的傳輸方式是粒子的滲濾(percolation)作用，不再是單一介質的載流子傳輸。 在有機太陽能電池中，決定光電轉換效率首要三個因素是材料對太陽光譜的吸收、激子解離和自由電荷的傳輸。因此，在活性材料的設計和選擇時要兼顧這些特點，才能獲得高性能的電池器件。本體異質結太陽能電池中的活性層是由給體材料和受體材料組成。目前，受體材料通常使用的主要是PC₆₁BM、PC₇₁BM，以及其它n型聚合物和C60衍生物等。相對而言，聚合物給體材料的研究范圍就寬廣很多，聚3-己基噻吩(P3HT)是聚合物太陽能電池中的明星給體材料，吸引了眾多研究者的目光，許多研究小組相繼報道了對基于噻吩及其衍生物體系的研究工作；為了拓寬共軛聚合物給體材料的吸收光譜，人們設計了不同的“給體-π-受體”型共軛聚合物，如：含有苯并噻二唑、噻吩吡嗪以及喹喔啉等結構單元的共軛聚合物材料。“給體-π-受體”型共軛聚合物因為分子鏈由給電子單元和受電子單元交替構成，增強π電子的離域性，達到吸收光譜紅移和降低聚合物帶隙的目的。苯并噻二唑(BT)是眾多電子受體結構單元中的杰出代表，利用它構建的p型半導體材料顯示出了非常高的電子遷移率，更為重要的是當它與電子給體結構單元鏈接時，構建出了眾多光伏性能出眾的窄帶隙的共軛聚合物材料。

最近的一些研究表明，由于氟原子的引入，聚合物的HOMO和LUMO能級都有所降低，同時材料的光學帶隙基本保持不變。作為給體材料的聚合物具有較低的HOMO能級能夠使得光伏器件獲得較高的的開路電壓，同時填充因子和短路電流也有所增大。使用這些材料制得的光伏器件的最高光電轉換效率達到了8％。但是這些研究中對于引入氟原子之后材料在光伏器件中表現出較差的成膜性。

基于以上的考慮，設計了含有5位為氟、6位為烷氧基鏈的苯并噻二唑的聚合物材料。由于氟原子的吸電子性，它的引入可以調整聚合物的能級；由于氟 原子與氟原子之間的偶極相互作用，有利于聚合物在處于固態時主鏈形成緊密的堆積從而提高載流子遷移率；烷氧基的引入可以增加聚合物的溶解性，與基于5、6位都為雙氟取代苯并噻二唑的聚合物相比，基于5-氟-6-烷氧基-苯并噻二唑的聚合物具有更好的成膜性。