[發(fā)明專利]一種全呋喃骨架給體-受體共軛聚合物、其制備方法及利用其制得的有機太陽能電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811580096.8
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109776765B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高躍岳;周燕香;譚付瑞;張偉風(fēng)
• 申請（專利權(quán)）人: 河南大學(xué)
• 主分類號: C08G61/12
• 分類號: C08G61/12;H01L51/46;H01L51/48;H01L51/42
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 時立新;張麗

一種全呋喃骨架給體?受體共軛聚合物、其制備方法及利用其制得的有機太陽能電池，所述聚合物結(jié)構(gòu)式如下：，其中EH為，n=24~25。所制備的聚合物PBDFFPD具有較大的共軛平面、較強的分子內(nèi)和分子間相互作用、較低的HOMO能級。在氯萘與甲醇協(xié)同處理下，PBDFFTD:ITIC基有機太陽能電池獲得9.30%的光電轉(zhuǎn)化效率，其中FF高達70.3%，是已報到FTD基聚合物有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率最高記錄。此外，PBDFFTD:ITIC電池最優(yōu)條件下20電池的平均效率與最高效率保持0.64%的較小偏差，表明PBDFFTD具有較大潛力制備高效率的有機太陽能電池，不存在操作的苛刻要求，適用于推廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料化學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種全呋喃骨架給體-受體共軛聚合物、其制備方法及利用其制得的有機太陽能電池。

背景技術(shù)

有機太陽能電池(Organic Solar Cells，OSCs)具有質(zhì)量輕、器件結(jié)構(gòu)簡單、可溶液法大面積制備柔性器件、可應(yīng)用于半透明產(chǎn)品領(lǐng)域等特點，被認為是新一代光電轉(zhuǎn)化途徑的明星代表。到目前為止，科研學(xué)者在新型材料合成、器件結(jié)構(gòu)改進和界面優(yōu)化等方面的不斷努力使有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。近年來，隨著窄帶隙引達省并二噻吩(IDT)系列非富勒烯小分子受體的問世，科研工作者通過對IDT系列分子側(cè)鏈改性、端基調(diào)控、共軛骨架延伸等方面修飾使得基于IDT系列非富勒烯受體的單節(jié)有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率超過13%。

相比于IDT系列非富勒烯小分子受體的多樣性與快速發(fā)展，與之相匹配的寬帶隙共軛聚合物給體材料發(fā)展相對滯后。至今為止，只有少許幾類共軛聚合物被報道且成功地用于制備高效率的有機太陽能電池，諸如，PTB7-Th，F(xiàn)TAz，PBDB-T以及它們的衍生聚合物。雖然以IDT系列非富勒烯小分子為受體，基于前述幾種共軛聚合物的有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率均超過10%，但是這些聚合物的合成步驟相當(dāng)繁瑣，特別是這些聚合物的受體單元往往需要多步反應(yīng)以及冗長的后處理過程，比如PTB7-Th的受體單元噻吩[3,4-b]并噻吩(TT)的合成至少需要7步，F(xiàn)TAz的受體單元2-烷基-苯[d][1,2,3]并三氮唑(TAz)的合成至少需要6步，PBDB-T的受體單元苯[1,2-b:4,5-c′]并二噻吩-4,8-二酮(BDD)的合成也需要6步，顯然這種冗長的合成過程與有機太陽能電池低成本的特點大相徑庭，不利于有機太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。因此開發(fā)合成簡單的新型受體單元進而豐富高效的寬帶隙共軛聚合物種類已成為當(dāng)下加快有機太陽能電池進一步發(fā)展的關(guān)鍵。

呋喃[3,4-c]吡咯-4,6(5H)-二酮(FPD)單元具有簡單對稱的化學(xué)結(jié)構(gòu)和較好的共軛平面。2012年，加拿大化學(xué)系Leclerc和他的同事們首先通過三步合成法成功合成了FPD單元，并將其與不同給體單元共聚得到了多種FPD基共軛聚合物。他們發(fā)現(xiàn)FPD基聚合物在300-680nm之間表現(xiàn)出較強的光譜吸收，恰好與窄帶隙IDT系列非富勒烯小分子吸收光譜匹配。此外，F(xiàn)PD單元較強的吸電子特性使FPD基聚合物展現(xiàn)出較低的HOMO能級，這種情形有利于FPD基共軛聚合物在有機太陽能電池中獲得較高的開路電壓(V_oc)。綜合考慮，F(xiàn)PD單元在制備高效共軛聚合物方面具有很大潛力，而且FPD基聚合物有望實現(xiàn)低成本有機太陽能電池的大面積制備及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種全呋喃骨架給體-受體共軛聚合物、其制備方法及利用其制得的有機太陽能電池。

本發(fā)明設(shè)計并合成了基于苯并[1,2-b:4,5-b']二呋喃(BDF)和呋喃[3,4-c]吡咯-4,6(5H)-二酮(FPD)的新型全呋喃共軛骨架給體-受體共軛聚合物PBDFFPD，結(jié)構(gòu)式如下：

，其中EH為，n=24~25

上述全呋喃骨架給體-受體共軛聚合物的制備方法，包括如下步驟：