一種聚噻吩衍生物及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種聚噻吩衍生物及其制備方法與應(yīng)用。所述聚噻吩衍生物的結(jié)構(gòu)式如式I所示，式Ⅰ中，R1和R2均獨立地代表具有1～30個碳原子的烷基或烷氧基，R1與R2相同或不同；n代表重復(fù)單元數(shù)，為1～5000之間的自然數(shù)。本發(fā)明還保護(hù)一種光伏器件（包括太陽能電池器件），通常包括空穴收集層、電子收集層、以及空穴收集層和電子收集層之間的光伏材料層；所述光伏材料層中至少包括本發(fā)明提供的聚合物或半導(dǎo)體組合物。本發(fā)明提供的聚噻吩衍生物合成簡單而且具有優(yōu)異的光電性能，有利于其推廣應(yīng)用。
【專利說明】一種聚噻吩衍生物及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚噻吩衍生物及其制備方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，聚合物太陽能電池(polymer solar cells, PSCs)作為一種新型有機(jī)薄膜太陽能電池，它由共軛聚合物給體和富勒烯受體的共混薄膜(活性層)夾在ITO透明導(dǎo)電玻璃正極和低功函數(shù)金屬負(fù)極之間所組成，由于具有制備過程簡單、成本低、重量輕、可制備成柔性器件等突出優(yōu)點，從而受到廣泛關(guān)注(X.Guo,M.J.Zhang, J.Tan，S.Zhang, L.Huoj W.P.Huj Y.F.Li, J.H.Houj Adv.Mater.2012.24，6536 ；L.Huoj S.Zhang, X.Guoj F.Xuj Y.F.Li, J.H.Houj Angew.Chem.1nt.Ed.2011，50，9697 ；S.C.Price, A.C.Stuart, L.Yang, H.Zhou, W.You, J.Am.Chem.Soc.2011，133，4625 ；T.Chuj J.Lu, S.Beauprej Y.Zhang, J.Pouliot，S.Wakimj J.Zhou, M.Leclercj Z.Li，J.Ding, Y.Taoj J.Am.Chem.Soc.2011，133，4250 ；Y.Liang, Z.Xuj J.Xiaj S.Tsai, Y.Wuj G.Li, C.Ray, L Yuj Adv.Mater.2010，22，E135 ；H.Chen, J.Houj S.Zhang, Y.Liang, G.Yang, Y.Yang, L.Yuj Y.Wuj G.Li, Nat.Photonics, 2009，3，649.)。
[0003]在眾多的聚合物給體材料中，聚噻吩衍生物由于合成簡單而引起廣泛關(guān)注，尤其是聚3-己基噻吩(P3HT)已經(jīng)成為最為經(jīng)典的聚合物光伏材料，基于P3HT/PC61BM([6，6]-苯基C61 丁酸甲酯)或者PC71BM([6，6]-苯基C71 丁酸甲酯)的聚合物太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到4~5% (G.Li, V.Shrotriva, J.S.Huang, Y.Yao, T.Moriarty, K.Emery, Y.Yang, Nat.Mater., 2005, 4, 864-868; ff.L.Ma, C.Y.Yang, X.Gong, K.Lee, A.J.Heeger, Adv.Funct.Mater.，2005，15，1617-1622.)。盡管 P3HT 表現(xiàn)出了優(yōu)異的傳輸性能和光伏性能，但是其較高的HOMO (the highest occupied molecularorbital，最高占有分子軌道`)能級限制了其光伏器件的開路電壓(~0.6V)，進(jìn)而影響了光伏性能的進(jìn)一步提高。為了解決這個問題，人們嘗試了多種途徑。一種方法是合成具有比 PC61BM 或者 PC71BM 具有更高 LUMO (the lowest unoccupied molecular orbital,最低未占有分子軌道)能級的新的富勒烯衍生物作為受體材料(Y.J.He, H.Y.Chen, J.H.Hou, Y.F.Li, J.Am.Chem.Soc.2010，132，1377 ;X.Guo, C.H.Cui, Μ.J.Zhang, L.J.Huo, Y.Huang, J.H.Hou, Y.F.Li, Energy Environ.Sc1.2012, 5, 7943; Y.J.He, G.J.Zhao, B.Peng, Y.F.Li, Adv.Funct.Mater.2010, 20, 3383; X.Guo, M.J.Zhang, L.J.Huo, C.H.Cui, Y.ffu, J.H.Hou, Y.F.Li, Macromolecules 2012, 45, 6930; H.Xin, S.Subramaniyan, ff.T.Kwon, S.Shoaee, J.R.Durrant, S.A.Jenekhe, Chem.Mater.2012, 24, 1995; G.Han, ff.R.Collins, T.L.Andrew, V.Bulovic, and Timothy M.Swager, Adv.Funct.Mater.2013，23，3061.)。其中最具代表性的是何等合成的雙茚加成的富勒烯衍生物IC61BA和IC71BA,基于P3HT/IC71BA的光伏器件的開路電壓能夠達(dá)到0.87V，同時能量轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到6~7%。但是這種方法的不利之處在于這種新型的富勒烯受體材料合成的成本比較高，而且提純比較困難，這就限制了其推廣應(yīng)用。另一種方法是通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)整來降低聚合物的Η0Μ0能級，進(jìn)而提高光伏性能。無論是通過減少烷基側(cè)鏈在聚合物中的含量或者側(cè)鏈引入酯基取代基都能夠有效的降低聚合物的HOMO能級，提高器件的開路電壓，但是受限于聚合物分子排列的規(guī)整性下降，器件的短路電流不高，從而使得器件的能量轉(zhuǎn)化效率不高(J.H.Hou, H.Y.Chen, S.Q.Zhang, L.J.Huo, S.Sista, Y.Yang, Macromolecules 2009, 42, 9217 ;Μ.J.Zhang, X.Guo, Y.Yang, J.Zhang, Z.Zhang and Y.F.Li, Polym.Chem., 2011, 2, 2900.)。因此，設(shè)計合成一種結(jié)構(gòu)簡單、具有較低的HOMO能級以及分子鏈規(guī)整排列的聚噻吩衍生物具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種聚噻吩衍生物及其制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明提供的聚合物具有在光電轉(zhuǎn)換和場效應(yīng)器件等方面的應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明所提供的一種聚噻吩衍生物，其結(jié)構(gòu)式如式I所示:
[0006]
【權(quán)利要求】
1.一種聚噻吩衍生物，其結(jié)構(gòu)式如式I所示:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚噻吩衍生物，其特征在于:所述聚噻吩衍生物的分子量分布指數(shù)為1.5~1.7。
3.式I所示聚噻吩衍生物的制備方法，包括如下步驟: 式IV所示化合物和式V所示化合物在催化劑的作用下進(jìn)行共聚反應(yīng)，得到式I所示聚合物； 所述催化劑為[1，3-雙(二苯基膦基)丙烷]二氯鎳(II)、四(三苯基膦)鈀(O)、[I, 2-雙(二苯基膦基)乙烷]二氯鎳(II)、雙(二亞芐基丙酮)鈀(O)、氯化鈀或醋酸鈀；
4.一種半導(dǎo)體組合物，其由權(quán)利要求1或2所述式I所示聚合物和摻加劑組成； 所述摻加劑選自富勒烯或其衍生物中的至少一種；所述富勒烯或其衍生物為[6，6]-苯基C61 丁酸甲酯或[6，6]-苯基C71 丁酸甲酯或含茚富勒烯。
5.權(quán)利要求1或2所述式I所示聚合物或權(quán)利要求4所述半導(dǎo)體組合物在制備下述器件中的應(yīng)用:薄膜半導(dǎo)體器件、電化學(xué)器件、光伏器件和光電器件。
6.一種光伏器件，包括空穴收集層、電子收集層、以及空穴收集層和電子收集層之間的光伏材料層；所述光伏材料層中包括權(quán)利要求1或2所述式I所示聚合物或權(quán)利要求4所述半導(dǎo)體組合物； 所述光伏器件為聚合物太陽能電池器件。
7.一種光電器件，包括第一電極、與所述第一電極間隔開的第二電極、以及在所述第一電極和第二電極之間設(shè)置 的至少一層活性材料層；所述活性材料層中含有權(quán)利要求1或2所述式I所示聚合物。
【文檔編號】C08L65/00GK103772665SQ201410032435
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】張茂杰, 國霞, 侯劍輝 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所