專利名稱：功能基封端的基于n-取代咔唑和氟代苯并噻二唑共軛聚合物及制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功能基封端保護(hù)的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑給體-受體型共軛聚合物的制備及其在太陽能電池中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著能源需求日益加大，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，清潔、豐富、可再生的綠色能源成為全社會的追逐目標(biāo)。滿足所有要求的太陽能成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。太陽能電池是太陽能應(yīng)用的最重要最方便的途徑之一，其主要包括無機(jī)太陽能電池和有機(jī)太陽能電池。相比較于造價高昂的無機(jī)太陽能電池，集制造成本低，柔韌性好，制備工藝簡單，制造面積大，價格低，重量輕等優(yōu)點(diǎn)于一身的有機(jī)太陽能電池逐漸成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是聚合物薄膜太陽能電池，已成為近幾年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。聚合物太陽能電池基本以本體異質(zhì)結(jié)型為主，其活性層材料主要由有機(jī)半導(dǎo)體聚合物給體和受體(主要PCBM)的共混膜組成，與非晶硅薄膜太陽能電池相比，聚合物太陽能電池雖然有無法比擬的優(yōu)勢，但低的能量轉(zhuǎn)化效率限制了其廣泛應(yīng)用。影響能量轉(zhuǎn)換效率的主要原因有以下兩點(diǎn)，其一，有機(jī)半導(dǎo)體聚合物的吸收光譜與太陽光輻射光譜不匹配，常用的聚合物的吸收光譜在600 nm之前，達(dá)不到太陽光的最大輻射范圍700 nm左右；其二，有機(jī)半導(dǎo)體材料的電子空穴遷移率相對低，與非晶硅的遷移率相比相差近一個數(shù)量級。針對以上問題，全世界的科學(xué)家們圍繞提高能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了多方面的研究。一方面人們開發(fā)出了許多窄帶隙的聚合物，以期能與太陽光最大光子流的光譜范圍相匹配，特別是給體-受體型共軛聚合物，如PFDPBT mCROMOL. RAPID. COMMUN., 2009, 30, 1484-1491.)，PCDTBT {J. AM CHEM. SOC., 2007,130， 732-742]，PSiF-DBTt中國專利200710028956. 2]，其中表現(xiàn)優(yōu)異的給體分子主要有芴，硅芴，咔唑，苯并二噻吩等，而受體型分子主要集中于苯并噻二唑，及最新研究報道的雙噻吩基氟代苯并噻二唑(DTffBT) {Angew. Chem. 2011, 123, 3051 - 30 ),由于其結(jié)構(gòu)中含有強(qiáng)吸電子的氟原子，在調(diào)控分子能級的同時，還大幅提高了開路電壓。另一方面，為提高載流子遷移率，進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加分子的剛性、共平面性有利于空穴電子傳輸。如，咔唑類，苯并二噻吩類，這類材料由于有稠環(huán)烴的大共軛體系及剛性共平面，具有高載流子遷移率的優(yōu)良特性。此外，有最新的報道表明，對共軛聚合物的末端基進(jìn)行功能化保護(hù) Mater. 2010, 22’ 1355 - 1360]，調(diào)整聚合物的表面能，降低聚合物表面能與PCBM表面能的差距，促進(jìn)聚合物給體與PCBM受體的混合均勻性，提高了活性層的有序微相分離結(jié)構(gòu)， 從而提高了空穴電子傳輸率。然而要實(shí)現(xiàn)商品化，聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還有待大幅度提高，因此開發(fā)新型的、覆蓋近紅外寬吸收，載流子遷移率高的共軛聚合物，對于改善聚合物太陽能電池活性層材料，獲得較高能量轉(zhuǎn)換效率及潛在的應(yīng)用都有重要的意義?；谝陨戏治?，本發(fā)明結(jié)合咔唑和DTffBT的優(yōu)勢，以及功能基保護(hù)的封端效果，我們將稠環(huán)烴咔唑和氟代苯并噻二唑共聚而得到窄帶隙咔唑類聚合物，并用多種功能基團(tuán)(包括無氟芳基，含氟芳基，含氟烷基)對其端基進(jìn)行功能化，所制備的共軛聚合物材料具有寬的光譜吸收范圍和高的開路電壓。同時結(jié)構(gòu)中的高共平面性和末端基功能化保護(hù)，大幅提高 了載流子遷移率。將這種結(jié)構(gòu)的共軛聚合物應(yīng)用于太陽能電池，賦予了器件高的能量轉(zhuǎn)化 效率，到目前為止，國內(nèi)外并無相關(guān)文獻(xiàn)和專利報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了功能基封端保護(hù)的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻ニ唑給體-受體 型共軛聚合物及其制備方法，以及在太陽能電池中的應(yīng)用。將咔唑和氟代苯并噻ニ唑共聚 而得一系列共軛聚合物，通過多種功能基進(jìn)行端基保護(hù)，將其應(yīng)用于太陽能電池的活性層 材料。該類材料吸收光譜覆蓋紫外可見近紅外區(qū)，光譜響應(yīng)范圍寬，該類材料應(yīng)用到聚合物 太陽能電池中，具有開路電壓大，載流子遷移率高，能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一、本發(fā)明采用Suzuki交替共聚的方法制備了ー類功能基封端保護(hù)的基于N-取 代咔唑和氟代苯并噻ニ唑給體-受體型共軛聚合物，其特征在于它們具有以下結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1. 一種功能基封端的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑共軛聚合物，其特征在于具 有如下結(jié)構(gòu)式
2.權(quán)利要求1所述的功能基封端的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑共軛聚合物的制備方法，其特征是以雙噻吩基取代的氟代苯并噻二唑為摩爾量配比標(biāo)準(zhǔn)，將1. 02倍摩爾量的N-取代咔唑雙硼酸酯單體、1倍摩爾量的雙噻吩基取代的氟代苯并噻二唑的二溴代物單體、單體總量20 wt%的甲基三辛基氯化銨，加入干燥的聚合瓶中，再加入甲苯溶劑；待所有單體都溶解后，再加入2 mol/L的碳酸鈉水溶液，通入氬氣，將聚合瓶內(nèi)的空氣置換三次； 在氬氣氛圍下，加入0.005倍摩爾量的催化劑四(三苯基膦)鈀，再次置換氣體三次；加熱溶液回流反應(yīng)72小時；加入0. 2倍摩爾量的封端劑，繼續(xù)反應(yīng)12小時；冷卻至室溫后，將反應(yīng)液在甲醇中沉降；將得到的聚合產(chǎn)物在甲醇與水體積比為10:1的溶液中再次沉降，過濾，收集到的產(chǎn)物在索氏提取器中依次用丙酮、正己烷、甲苯、二氯甲烷、氯仿抽提，氯仿提抽液經(jīng)濃縮后再次在甲醇與水體積比為10:1的溶液中沉降，過濾，干燥。
3.權(quán)利要求1所述的功能基封端的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑共軛聚合物材料作為活性層在太陽能電池中的應(yīng)用。
全文摘要
功能基封端的基于N-取代咔唑和氟代苯并噻二唑共軛聚合物及制備和應(yīng)用，所述聚合物結(jié)構(gòu)如下選用稠環(huán)大共軛、剛性共平面的咔唑為給體單元，具有強(qiáng)吸電子性的氟代苯并噻二唑為受體單元，不含氟、含多個氟的苯基、含氟烷基為封端基。本發(fā)明共軛聚合物應(yīng)用于太陽能電池活性層，制備的太陽能電池器件性能分別為標(biāo)準(zhǔn)模擬太陽光(AM1.5G,100mW/cm2)照射下，開路電壓=0.61-0.89V；短路電流=10.56-12.85mA/cm2；填充因子=45-61%；能量轉(zhuǎn)化效率=5.30-6.97%。
文檔編號C08G61/12GK102391479SQ20111027799
公開日2012年3月28日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者吳飛燕, 周魏華, 李璠, 查代軍, 諶烈, 陳義旺 申請人:南昌大學(xué)