[發明專利]氟代稠環苯并噻二唑聚合物受體材料、制備方法

在審

• 申請號: 202110370954.1
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113174032A
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 于涵;顏河
• 申請（專利權）人: 香港科技大學深圳研究院
• 主分類號: C08G61/12
• 分類號: C08G61/12;H01L51/42;H01L51/46
• 代理公司: 深圳市惠邦知識產權代理事務所 44271
• 代理人: 滿群

本發明涉及一種氟代稠環苯并噻二唑聚合物受體材料、制備方法。所述氟代稠環苯并噻二唑聚合物受體材料，包括稠環苯并噻二唑中心核單元與氟取代吸電子端基以及芳香環連接單元，稠環苯并噻二唑中心核為氮橋梯形稠環結構，氟代吸電子端基連接在中心核的兩端,每個受體單元通過簡單芳香環結構共軛連接。

技術領域

本發明屬于有機太陽能電池材料制備技術領域，特別涉及一種氟代稠環苯并噻二唑聚合物受體材料的制備方法。

背景技術

隨著能源問題的日益嚴重，發展新型能源迫在眉睫，而太陽能由于具有清潔無污染，且取之不盡，用之不竭等諸多優點而具有很大發展前景。如何更好的利用太陽能是應對能源危機的關鍵解決辦法。有機太陽能電池因其具有柔性、價格低廉，可低成本制備引起研究學者的廣泛關注。經過二十多年的發展，目前單層異質結的有機太陽能電池的效率已經達到17％，在未來很有可能會取代傳統的硅基電池。[Joule.2019,3,1140]公開了一種新型有機太陽能電池受體——Y6，是基于苯并噻二唑的稠環芳烴，其獨特的化學結構與器件性能使得有機太陽能電池領域在短短一年內迎來了一個又一個能量轉換效率的突破。

除了可以設計合成新型的基于Y6的小分子受體，科學家們也對基于聚合物受體的全聚合物太陽能電池進行了嘗試。相比小分子受體太陽能電池，全聚合物太陽能電池存在更多潛在的優勢。首先，聚合物材料具有長程鏈內共軛，因而有著更好的電子傳輸性質。其次，聚合物材料的薄膜性質比小分子材料更好，主要包括成膜性，形貌穩定性和膜的拉力耐受性。然后，大多數高效的給體結構也都是聚合物材料，因此聚合物受體和聚合物給體可能有更好的相容性，更容易形成合適的相分離尺寸并且保持更加穩定的形貌穩定性、機械穩定性以及光熱穩定性。最后，根據有機場效應晶體管空穴/電子傳輸材料的開發和有機太陽能電池給體材料的開發中獲得的經驗表明，聚合物材料通常比小分子材料在光電性質上更為優異。[Nature Communication.2015,6,8547.]

但是，相對于在小分子受體領域的成功，聚合物受體領域的發展則十分緩慢。傳統的全聚合物太陽能電池通常采用基于萘二酰亞胺(NDI)或苝二酰亞胺(PDI)的聚合物受體。然而，受限于他們有限的光譜吸收范圍以及不強烈的分子聚集行為，基于他們的全聚合物太陽能電池效率僅有 8-10％。小分子受體高分子化成為一種有效的手段使聚合物受體同時具備聚合物的聚集性質以及和小分子相當的光譜電化學性質，基于這種方法得到的基于Y6的苯并噻二唑聚合物受體可以使得相應的全聚合物太陽能電池效率提升到14％以上并且具備優秀的器件穩定性。所以這一研究方向使得有機太陽能電池的商業化可能性更進了一步。[Chem,2020,6,1310.]

而目前與這一類聚合物受體搭配較好的給體材料卻主要局限于 PBDB-T-2F(PM6)的二維共軛材料，使得二者搭配的材料共混吸收范圍主要集中在550-900nm，而近紅外區域光電轉換率高的光子則得不到吸收轉化，因此，設計并合成相比基于Y6的聚合物受體更窄帶隙(Eg,opt1.3eV)的聚合物受體與低或中等帶隙的給體聚合物相匹配將是一個新的發展方向。 [Advanced Energy Materials.2013,3,54.]

而拓展聚合物受體分子吸收范圍的化學修飾方法除了擴大共軛平面外，引入適當的取代基增強分子內的推拉電子效應(分子內電荷轉移)同樣可以使吸收光譜向紅外方向拓展。其中，在分子骨架中的端基位置(EG) 中引入氟原子可以增強分子內的電荷轉移使分子的帶隙向內收縮，從而達到光譜紅移，吸收范圍拓展的效果。此外，氟原子與π平面的特殊的超分子相互作用可以促進高分子鏈的堆積，從而實現電荷遷移率的增加以及合適的相分離尺度。