[發明專利]一種苯并二噻吩和吡嗪共聚物、制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910498230.8
• 申請日: 2019-06-10
• 公開（公告）號: CN110204692A
• 公開（公告）日: 2019-09-06
• 發明（設計）人: 王曉波;劉波;陳遠道;王鋼;劉駿;何敏;胡霞
• 申請（專利權）人: 湖南文理學院
• 主分類號: C08G61/12
• 分類號: C08G61/12;H01L51/46
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 曾志鵬

本發明公開一種苯并二噻吩和吡嗪共聚物、制備方法和應用，結構式如下：其中R為烷基，本發明的共聚物為電子給體材料，應用于聚合物太陽能電池，具有寬的可見光區吸收，較低的HOMO能級，相對較窄的帶隙，以及較高的光電轉換效率。

技術領域

本發明涉及聚合物光伏材料技術領域，具體涉及一種苯并二噻吩和吡嗪共聚物、制備方法和應用。

背景技術

隨著地球變暖現象的日益嚴重和化石能源(煤、石油和天然氣等)面臨枯竭，世界各國對二氧化碳的排放量均采取嚴格的管制。因此，太陽能作為一種可再生清潔能源越來越得到全球科學界和產業界的重視。聚合物太陽電池作為新型太陽電池的一類，近二十年來以其特有的器件質量輕和可使用印刷的方式制備成大面積柔性器件等優勢取得了快速的發展，成為當前全球能源領域研究的熱點之一。

聚合物太陽能電池材料的研究進展，李永璽等，功能高分子學報，2014年12月，描述了D-A體系的各種典型的材料的結構式，還描述了給體聚合物材料的設計主要包括以下幾個方面：(1)通過調控聚合物材料的能級和帶隙來獲得較高的開路電壓和短路電流；(2)提高聚合物材料的平面性來增加其電荷遷移率，但是在該過程中，要確保材料的溶解性和穩定性。這些因素相互關聯，理想狀態下，應該對這些因素同時優化，但是實際上這是十分困難的。因此，找到一個平衡點使電池取得最大光電轉化效率，是材料化學家設計聚合物給體材料的關鍵。在設計有機太陽能電池聚合物材料的過程中，要遵循以下幾個原則：(1)聚合物應具有較窄的能帶間隙；(2)較高的摩爾消光系數；(3)良好的平面性；(4)高的電荷遷移率；(5)較好的光穩定性。同時，較高的分子量、較高的電荷遷移率、最優化的形貌、填充因子等等都可以影響材料的性能。通常來說，共軛聚合物的結構可以被分為以下3個部分：共軛聚合物主鏈、側鏈和取代基團。還公開了不同能帶間隙的聚合物電池材料的常見化合物。

當前阻礙雙結電池的發展最重要的問題之一是缺少高性能、低帶隙的優良聚合物材料。為了解決這個問題，一種方法是增加聚合物主鏈的醌式結構，來獲得窄帶隙聚合物。醌式聚合物通常是由2個或2個以上的不同芳香性化合物并聯在同一個結構單元上所組成的。它將采用共振能較大的芳香性結構，從而使另一芳香性結構采用醌式結構。由于苯環的共振能(1.56eV)大于噻吩的共振能(1.26eV)，噻吩單元將采用醌式結構。因為醌式結構的共振能較芳香性結構低，所以采用醌式結構可以有效降低聚合物的能帶間隙。聚苯并噻吩的能帶間隙只有1.1eV，聚噻吩并哌嗪的能帶間隙為0.95eV，而聚噻吩并噻吩的能帶間隙只有0.8-0.9eV。雖然這類聚合物能帶間隙極小，但是這種方法在制備窄帶隙聚合物太陽能電池材料的過程中有其局限性，因為這類聚合物的HOMO能級通常較高，因此基于它們的太陽能電池器件的開路電壓很小，極大地限制了光電轉化效率的提高。

中國專利申請號為201510807862.X的專利公開了光伏薄膜材料，其為吲哚衍生物與苯并二噻吩雙錫共聚物，結構式如下：

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種苯并二噻吩和吡嗪共聚物、制備方法和應用，其具有寬的可見光區吸收，較低的HOMO能級，相對較窄的帶隙，以及較高的光電轉換效率。

本發明的內容結構式如下：

其中R為烷基。

優選的，所述二維共軛苯并二噻吩和吡嗪共聚物的數均分子量為13000-23000，重均分子量為27000-53000，PDI(聚合物分散性指數)為1.8-2.5。

優選的，所述R為8～20個碳原子的直鏈或支鏈烷烴。

優選的，所述R為取代基：

一種苯并二噻吩和吡嗪共聚物的制備方法，包括以下步驟：