含硼氮配位键的高分子化合物及其制备方法与应用技术

含硼氮配位键的高分子化合物及其制备方法与应用，属于高分子功能材料与有机电子学技术领域。解决了现有技术中有机共轭高分子化合物迁移率低的技术问题。本发明专利技术的高分子化合物的共轭主链含有三个片段，分别为缺电子的双硼氮配位键桥联联吡啶单元、Ar单元、富电子的噻吩单元，结构式如式(I)所示。该高分子化合物具有平面性好，结晶性强，分子间相互作用强等特点，可以大幅提高材料的电子迁移率；化学结构易修饰，能级结构可调控，吸收光谱宽；能够作为有机太阳能电池的受体材料和有机场效应晶体管的电荷传输层材料应用。

Polymer Compounds Containing Boron-Nitrogen Coordination Bonds and Their Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
含硼氮配位键的高分子化合物及其制备方法与应用
本专利技术属于高分子功能材料与有机电子学
，具体涉及一种含硼氮配位键的高分子化合物及其制备方法与应用。
技术介绍
太阳能电池是能够吸收太阳能，并将其转化成电能的器件。相比现有的无机硅太阳能电池，有机太阳能电池具有柔性、成本低、重量轻等突出优点而备受关注。早期发展的有机太阳能电池器件大多是基于富勒烯PCBM及其衍生物为受体材料。然而PCBM的吸收光谱窄、能级难调节，导致性能难以进一步的提升，因此，人们正在大力开发非富勒烯受体材料。与广泛研究的小分子富勒烯材料相比，高分子受体材料的发展明显滞后。对于高分子受体材料而言，一个关键参数是具有高的电子迁移率从而实现活性层的电荷传输平衡，抑制电荷复合，提高器件的填充因子与器件的光电转换效率。目前，只有少数高分子受体可以满足这个要求，并且它们大多是采用酰亚胺结构进行分子设计。有机场效应晶体管由于其在柔性器件以及可穿戴电子学中的潜在应用前景受到了人们的广泛关注，尤其是以高分子半导体材料为电荷传输层构筑的晶体管其性能得到了快速地发展。按照载流子的传输类型，高分子半导体材料可分为p型材料(空穴传输)、n型材料(电子传输)和双极材料(既可传输电子又可传输空穴)。就目前的研究而言，p型材料的研究较广泛、发展较快，一些材料的迁移率已经超过10cm2V-1s-1。相比而言，n型材料和双极材料的发展较为缓慢，迁移率低，且空气稳定性差。鉴于双极材料和n型材料在有机逻辑互补电路中的应用，发展高迁移率的双极材料和n型材料成为当前的研究重点。此外，通过对材料的物理或化学掺杂，有机共轭高分子还可以应用到导电材料和导热材料中。但是这些材料研究的核心都是有机共轭高分子的载流子传输问题，因此如何有效的提高有机共轭高分子的载流子迁移率，尤其是电子迁移率，成为了这类材料能否应用的一个重要问题。
技术实现思路
有鉴于此，为解决现有技术中的技术问题，进一步提高有机共轭高分子化合物的载流子迁移率和电子迁移率，本专利技术提供一种含硼氮配位键的高分子化合物及其制备方法与应用。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。本专利技术提供一种含硼氮配位键的高分子化合物，结构如式(I)所示：式(I)中，n为2～1000的整数，m为0～10的整数，两个氮原子上的烷基侧链相同或不相同，x为1～20的整数，y为1～20的整数；-Ar-为以下结构中的一种：本专利技术提供上述含硼氮配位键的高分子化合物的制备方法，步骤如下：在惰性气氛保护下，将双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体(BNBP)、双三甲基锡单体和四(三苯基膦)钯溶解在有机溶剂中，在避光和加热回流条件下发生Stille聚合反应，Stille聚合反应结束后，加入封端剂进行封端，提纯，得到含硼氮配位键的高分子化合物；所述双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体的结构式为；所述双三甲基锡单体的结构式为：优选的是，所述有机溶剂为甲苯。优选的是，所述双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体、双三甲基锡单体、四(三苯基膦)钯的物质的量比1:1:0.01。优选的是，所述有机溶剂中双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体和双三甲基锡单体的浓度分别为0.005～0.1mM。优选的是，所述Stille聚合反应的反应温度为110～120℃，反应时间为1～96h。优选的是，所述封端剂为苯硼酸和溴苯。本专利技术还提供一种含硼氮配位键的高分子化合物作为有机太阳能电池的受体材料或有机场效应晶体管的电荷传输层材料的应用，所述有机太阳能电池的光电转换效率为6.7％以上；所述有机场效应晶体管中电荷传输层材料的电子迁移率在0.1cm2V-1s-1以上；所述含硼氮配位键的高分子化合物的结构式如式(I)所示：式(I)中，n为2～1000的整数，m为0～10的整数，两个氮原子上的烷基侧链相同或不相同，x为1～20的整数，y为1～20的整数；-Ar-为以下结构中的一种：优选的是，有机太阳能电池的结构为正置或倒置，包括依次排列的导电层、空穴传输层、活性层、电子传输层和金属电极；导电层的材料为ITO、FTO或AZO，厚度为50nm～200nm，空穴传输层的材料PEDOT:PSS，厚度为20nm～60nm；活性层的材料为质量比(1～5):1的给体材料和受体材料的混合物，厚度为100nm～150nm；电子传输层的材料Ca、LiF或ZnO，厚度为15nm～20nm；金属电极的材料Al，厚度为100nm～200nm。优选的是，有机场效应晶体管的结构为顶栅底接触或底栅顶接触，包括基底、源漏电极、电荷传输层、介电层和栅电极，或者包括基底、电荷传输层和源漏电极；基底的材料为重掺杂的硅基底，厚度为300nm；源漏电极的材料为金，厚度为10～40nm；电荷传输层的厚度为30～70nm；介电层的材料为PMMA，厚度为500nm；栅电极的材料为金，厚度为50～90nm。本专利技术还提供上述含硼氮配位键的高分子化合物掺杂后，在有机导体材料和有机热电材料中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的含硼氮配位键的高分子化合物具有平面性好，分子间相互作用强，结晶性强的特点，其共轭主链含有三个重复单元，分别为BNBP单元、噻吩单元和-Ar-单元。因为这类高分子的LUMO/HOMO轨道电子云离域的特点，通过改变-Ar-单元及其取代基可以调控高分子的能级结构，因此这类高分子具有可调的LUMO/HOMO能级，吸收光谱宽。此外，由于BNBP单元与-Ar-单元均为缺电子单元，此类高分子的LUMO能级较低，适用于作为有机太阳能电池的受体材料、有机场效应晶体管的n型或双极传输材料；通过掺杂，该类高分子还可能应用于有机导体材料和有机热电材料中。2、本专利技术的含硼氮配位键的高分子化合物，通过改变-Ar-单元及其取代基，可以调控高分子在溶液中的预聚集行为以及固态堆积性质，进而优化材料的结晶性质进而改善材料的传输性质，有利于得到较高的电子迁移率与优异的光伏性能。3、本专利技术的含硼氮配位键的高分子化合物作为太阳能电池的受体材料应用，能够使太阳能电池具有高光电转化效率，经实验检测，光电转化效率在6.7％以上。且具有较高的短路电流、开路电压和填充因子。4、本专利技术含硼氮配位键的高分子化合物作为有机场效应晶体管的电荷传输材料，经实验检测，电子迁移率在0.1cm2V-1s-1以上。附图说明图1为实施例1的高分子P-BNBP-DTBT(C24)的核磁氢谱；图2为实施例7的高分子P-BNBP-DTffBT(C24)的核磁氢谱；图3为实施例9的高分子P-BNBP-DTfBT(C24)的核磁氢谱；图4为实施例1的高分子P-BNBP-DTBT(C24)的紫外可见吸收光谱；图5为实施例1的高分子P-BNBP-DTBT(C24)的电化学测试曲线；图6为实施例1的高分子P-BNBP-DTBT(C24)的空间电荷限制电流测试曲线和电子迁移率；图7为正置太阳能电池器件的结构图；图8为倒置太阳能电池器件的结构图；图9为实施例19的高分子太阳能电池器件的J-V曲线，器件结构为正置；图10为实施例19的高分子太阳能电池器件的EQE曲线；图11为实施例20的高分子太阳能电池器件的J-V曲线，器件结构为倒置；图12为实施例21的高分子太阳能电池器件的J-V曲线，器件结构为正置；图13为实施例22本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.含硼氮配位键的高分子化合物，其特征在于，结构如式(I)所示：

【技术特征摘要】
1.含硼氮配位键的高分子化合物，其特征在于，结构如式(I)所示：式(I)中，n为2～1000的整数，m为0～10的整数，两个氮原子上的烷基侧链相同或不相同，x为1～20的整数，y为1～20的整数；-Ar-为以下结构中的一种：2.权利要求1所述的含硼氮配位键的高分子化合物的制备方法，其特征在于，步骤如下：在惰性气氛保护下，将双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体、双三甲基锡单体和四(三苯基膦)钯溶解在有机溶剂中，在避光和加热回流条件下发生Stille聚合反应，Stille聚合反应结束后，加入封端剂进行封端，提纯，得到含硼氮配位键的高分子化合物；所述双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体的结构式为；所述双三甲基锡单体的结构式为：3.根据权利要求2所述的含硼氮配位键的高分子化合物的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲苯，有机溶剂中双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体和双三甲基锡单体的浓度分别为0.005～0.1mM。4.根据权利要求2所述的含硼氮配位键的高分子化合物的制备方法，其特征在于，所述双硼氮配位键桥联联吡啶的双溴单体、双三甲基锡单体、四(三苯基膦)钯的物质的量比1:1:0.01。5.根据权利要求2所述的含硼氮配位键的高分子化合物的制备方法，其特征在于，所述Stille聚合反应的反应温度为110～120℃，反应时间为1～96h。6.根据权利要求2所述的含硼氮配位键的高分子化合物的制备方法，其特征在于，所述封端剂为苯硼酸和溴苯。7.含硼氮配位键的高分子化合物作为有机太阳能电池的受体材料或有机场效应晶体管的电荷传输层材料的应用，其特征在于:所述有机太阳能电池的光电转换效率...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，窦传冬，赵汝艳，王利祥，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22