共軛高分子化合物的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高分子化合物，尤指一種共軛高分子化合物。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今運用于太陽能電池的材料包含硅晶、化合物型及有機等類型，其中有機類 型的制造與花費相較于其它類型來的簡單與低廉，其依組件架構(gòu)不同又可細分為染料敏 化電池及有機薄膜太陽能電池。一般應(yīng)用于有機薄膜太陽能電池中的有機材料具有約 KfmoricnT 1的吸光系數(shù)，此特征表示該有機薄膜太陽能電池可更有效率的應(yīng)用太陽光。但 目前發(fā)展出的有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率及組件壽命均較差及短，使商業(yè)應(yīng)用價值大 打折扣。
[0003] 因此，為提升高分子太陽能電池（polymer solar cells, PSCs)的光電轉(zhuǎn)換效率， 并降低其制程成本以作為商業(yè)化運用，所制造的組件需要具有1)強及寬廣的太陽光光譜 吸收能力、2)高載子遷移率、3)低的最高占據(jù)分子軌域能階（Energy Level of Highest Occupied Molecular Orbital ;EH0M0及4)具良好溶解度等特性，其中第3)點特性能使 高分子太陽能電池達成高短路電流、高開路電壓、與高光電轉(zhuǎn)換效率（power conversion efficiency，PCE)的效果，而第4)點特性則使所制造的組件得以進行低成本的溶劑濕式與 大面積制程。
[0004] 共軛高分子材料可通過1)修飾共軛主鏈結(jié)構(gòu)以提升太陽光光譜吸收能力、改善 載子遷移率并調(diào)控分子軌域能階、2)修飾側(cè)鏈烷基以提升分子的溶解度與固態(tài)結(jié)構(gòu)。早 期的共軛分子，如聚3-己基噻酚（poly (3-hexylthiophene))，對于紅光至近紅外光范圍 (600nm-900nm)的太陽光子收集能力較差，故效率難以提升。而低能隙高分子（Low bandgap polymers)的設(shè)計使材料的吸收帶產(chǎn)生紅移至600nm-900nm，改善前述問題，但同時也產(chǎn)生 新的缺點，即在400nm-600nm吸收較弱，故致使其無法有效利用太陽光中短波長高能量的 光（400nm-600nm)，亦無法有效利用太陽光中長波長低能量的光（>900nm)。
[0005] 紫質(zhì)（porphyrins)化合物能有效吸收短波長太陽光，能作為提升共軛性高分子 材料吸光能力的理想功能性單元。但現(xiàn)有文獻在低能隙高分子材料或傳統(tǒng)共軛高分子中 導(dǎo)入紫質(zhì)單元均造成組件效能下降，原因在于紫質(zhì)單元為較大的環(huán)狀分子，故引用此單元 一來會破壞高分子主鏈的共軛結(jié)構(gòu)，使得紅光區(qū)域（600nm-900nm)吸收下降，反而造成組 件電流過低；二來會影響材料的固態(tài)堆棧，使主動層的形態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致組件填充因子 (FF)下降。由于以上因素，使得含有紫質(zhì)單元的高分子太陽能組件光電轉(zhuǎn)換效率與穩(wěn)定性 偏低。因此，現(xiàn)階段仍沒有高效能且高穩(wěn)定性的近全太陽光譜吸收材料以及含紫質(zhì)光敏性 材料可以使用在高分子太陽能電池上。
[0006] 為此，申請人有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明出發(fā)明"共軛高分子化合物"，以改善上 述缺陷缺失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種含紫質(zhì)化合物的共軛高分子化合物，再通過調(diào)控紫質(zhì)化合物于 共軛高分子化合物中的側(cè)鏈位置，使其不破壞高分子主鏈共振結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)控紫質(zhì)化合 物于該共軛高分子化合物中的比例，使其不破壞分子間的堆棧，在適當(dāng)?shù)臈l件之下，可得到 同時具有共軛高分子優(yōu)點及紫質(zhì)化合物優(yōu)點的P型共軛高分子，再將此P型共軛高分子與 N型材料于各種有機溶劑中進行混摻，形成一有機薄膜太陽能電池中主動層的一材料，再以 一涂布方式(如旋轉(zhuǎn)涂布）將該材料涂布于有機薄膜太陽能電池組件層之間，以達到高效率 且近太陽光全光譜吸收的有機薄膜太陽能電池。
[0008] 本發(fā)明的一個方面是提供一種共軛高分子化合物，具如下結(jié)構(gòu)式：
【主權(quán)項】
1. 一種共軛高分子化合物，具如下結(jié)構(gòu)式：
其中該共軛高分子化合物由一主鏈及一側(cè)鏈所組成，該主鏈包含η個芳香雜環(huán)化合物 所組成，該側(cè)鏈系為一紫質(zhì)化合物； 其中η選自范圍1-100,而R1為C12直鏈的飽和烷氧基、R2為C 8直鏈的飽和烷基及R3系 為Cltl直鏈的飽和烷基； 其中S1及S2分別獨立選自C1^直鏈或支鏈的飽和烷基及芳基中的一種，其中該芳基中 的一苯環(huán)包含至少一取代基，且該取代基選自氫、鹵基、鹵烷基、氰基、CV3tl直鏈或支鏈的飽 和烷基、C^ ci直鏈或支鏈的飽和烷氧基、C1^直鏈或支鏈的飽和烷硫基、C1^直鏈或支鏈的 飽和酯基以及C^ ci直鏈或支鏈的飽和乙?；械囊环N；以及 2分別選自如下結(jié)構(gòu)式21、22、23、24、2 5、26、27及28中的一種：
其中： η選自C3_16不飽和芳香環(huán)或選自(：3_16不飽和芳香雜環(huán)，其中該(： 3_16不飽和芳香雜環(huán)中 包含至少一雜原子； 該雜原子至少包含氮（N)、硫（S)、氧（O)及硒（Se)中的一種； 該c3_14不飽和芳香雜環(huán)更包含Np3 ; A及D均選自不飽和五元雜環(huán)、不飽和六元雜環(huán)以及不飽和五元芳香雜環(huán)、不飽和六元 芳香雜環(huán)中的一種； 結(jié)構(gòu)式Dp D2、D3、D4、D5及D6如下：
G1選自π及A中的一種，及G2選自π及D中的一種； R選自氫、Cw直鏈的飽和烷基及C6_16芳基中的一種； X 及 X1-S 均選自 〇、S、Se、碲（Te)、NR、CR2、SiR2、GeR2 以及 SnR2 中的一種； Y及Yh2均選自氫、鹵基、鹵烷基、氰基、C^ci直鏈或支鏈的飽和烷基、C1^直鏈或支鏈 的飽和烷氧基、CV3tl直鏈或支鏈的飽和烷硫基、CV3tl直鏈或支鏈的飽和酯基以及CV 3tl直鏈或 支鏈的飽和乙酰基中的一種； Por系指大分子雜環(huán)化合物，其中結(jié)構(gòu)式Pp P2及P3如下：
G3 為 31 ; M選自Zn2+及2H+中的一種； S1及S2分別獨立選自CV3tl直鏈或支鏈的飽和烷基及芳基中的一種，其中該芳基中的一 苯環(huán)包含至少一取代基，且該取代基選自氫、鹵基、鹵烷基、氰基、C1^直鏈或支鏈的飽和烷 基、Cw直鏈或支鏈的飽和烷氧基、Cw直鏈或支鏈的飽和烷硫基、Cw直鏈或支鏈的飽和 酯基以及C^ ci直鏈或支鏈的飽和乙?；械囊环N； Z系分別選自結(jié)構(gòu)式Zp Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z 7及Z8其中之一，該等結(jié)構(gòu)式如下：
R選自氫、Cw直鏈或支鏈的飽和烷基與C6_16芳基中的一種； U選自O(shè)R、氯、溴及碘中的一種； 該通式的系數(shù)a及b的范圍介于1-20 ;以及 該通式的系數(shù)η的范圍介于1-100。
3. 如權(quán)利要求2所述的化合物，其中： 該鹵基選自氟以及氯中的一種；以及 該鹵烷基選自三氟甲基、三氯甲基、三溴甲基以及三碘甲基中的一種。
4. 一種共軛高分子化合物,包含： 一共軛高分子主鏈；以及 一紫質(zhì)化合物，其具有可吸收太陽能中一紫外光區(qū)域的吸光性，其鍵接于該共軛高分 子主鏈，以形成該共軛高分子主鏈的一側(cè)鏈。
5. 如權(quán)利要求4所述的化合物，其中： 該共軛高分子主鏈包含： 一 η電子基團，選自C3_6芳香烴、C3_6不飽和芳香雜環(huán)、及多環(huán)芳香烴中的一種；以及 復(fù)數(shù)推/拉電子基團，其系包含呋喃（Furan)、噻吩（Thiophene )、硒吩（seIenophene )、締吩 (telIurophene)、批咯（Pyrrole)、環(huán)戊烯（eyeIopentene)、噻咯（silole)、germole、錫莉 (stannole)、口 號二唑（oxadiazole)、噻二唑（thiadiazole)、硒二唑（selenadiazole)、三 唑（Triazole)、二唑（Diazole)、批喃（pyran)、批咯（Pyrrole)及批嗪（pyrazine)的衍生物 至少其中一種或其任意組合。
6. 如權(quán)利要求5所述的化合物，其中： 該C3_6不飽和芳香雜環(huán)包含至少一雜原子，該雜原子系包含氮（N)、硫（S)、氧（0)及硒 (Se) 至少其中一種； 該C3_6不飽和芳香雜環(huán)更包含Np3 :以及 該多環(huán) 芳香經(jīng)選自萘（Naphthalene)及蒽（Anthracene)中的一種。
7. 如權(quán)利要求4所述的化合物，其中該紫質(zhì)化合物為大分子雜環(huán)化合物，并具有如下 結(jié)構(gòu)式Pi、P2及P 3:
其中，G3為π ; M選自Zn2+及2H+中的一種；以及 S1及S2獨立選自CV3tl直鏈或支鏈的飽和烷基及芳基中的一種，其中該芳基中的一苯環(huán) 包含至少一取代基，且該取代基選自氫、鹵基、鹵烷基、氰基、CV3tl直鏈或支鏈的飽和烷基、 CV3tl直鏈或支鏈的飽和烷氧基、CV3tl直鏈或支鏈的飽和烷硫基、C1^直鏈或支鏈的飽和酯基 以及C^ ci直鏈或支鏈的飽和乙酰基中的一種。
8. 如權(quán)利要求7所述的化合物，其中該等結(jié)構(gòu)式P1~P3更均包含一取代基Z，Z選自 結(jié)構(gòu)式Z 2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z 7及Z8其中之一，結(jié)構(gòu)式Z1~Z8如下： 其中：
R選自氫、Cw直鏈或支鏈的飽和烷基與C6_16芳基中的一種；以及 U選自0R、氯、溴及碘中的一種。
9. 如權(quán)利要求4所述的化合物，其中： 該共軛高分子主鏈決定太陽能中一紅光區(qū)域的吸光性； 該側(cè)鏈決定太陽能中一藍光區(qū)域的吸光性；以及 該化合物為一 P型高分子材料，可作為一電子供體，并以一特定比例與一電子受體混 合而形成一有機薄膜太陽能電池的一主動層材料。
10.如權(quán)利要求9所述的化合物，其中： 該電子受體為一富勒烯（Fullerene)衍生物，該富勒烯衍生物選自PC61BM及PC71BM中 的一種；以及 該化合物與該富勒烯衍生物具有該特定比例，該特定比例系為一重量百分組成分，其 中該化合物比該富勒烯衍生物為一比一特定值，且該特定值的范圍介于〇. 8~1. 3。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種共軛高分子化合物，包含：一高分子主鏈；以及一紫質(zhì)化合物，其具有可吸收太陽能中一藍光區(qū)域的吸光性，其鍵接于該高分子主鏈，以形成該高分子主鏈的一側(cè)鏈。
【IPC分類】C08G61-12
【公開號】CN104629019
【申請?zhí)枴緾N201410054625
【發(fā)明人】許千樹, 林敬堯, 王建隆, 吳忠憲, 趙翊翔, 鄭竣豐, 蔡明機, 王進立
【申請人】財團法人交大思源基金會
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年2月18日
【公告號】US20150133617