一类异构型聚合物给体材料及其制备方法和在光伏领域中的应用技术

本发明专利技术公开了一类异构型聚合物给体材料，该聚合物的结构式见式I，II或III：式中，R1为C1～C

【技术实现步骤摘要】
一类异构型聚合物给体材料及其制备方法和在光伏领域中的应用


[0001]本专利技术属于光电材料及其器件
，具体涉及一类异构型聚合物给体材料及其制备方法和在光伏领域中的应用。

技术介绍

[0002]随着全球对煤、石油、天然气等自然资源需求的增加，以及传统的燃料能源对环境造成的危害日益突出，人们对可再生能源的相关研究也越来越重视。在各种可再生的能源中，太阳能以取之不尽、用之不竭，干净无污染等独有的优势而成为人们关注的焦点。近年来，世界各国开始意识到太阳能源研发的重要性，纷纷开展对太阳能源应用技术的开发，来改善人类对传统能源依赖严重的现状。有机太阳能电池，是以有机半导体作为活性层材料，具有材料合成简易、制备成本低廉、重量轻、工艺简易旋涂、蒸镀、喷墨打印、丝网印刷等方法制备成膜、可在柔性衬底上制备、易于大面积生产等独特优势，而显示出有机太阳能电池研究和发展的巨大潜力，使得该类电池成为近些年有机光电材料与器件研究的前沿热点之一。
[0003]在现有众多聚合物给体材料中，由给电子单元(D)和缺电子单元(A)共聚所得的D
‑
A型聚合物具有吸收光谱、分子能级以及形貌可调等优势，被广泛用于构筑材料骨架结构。目前，已报道的高性能聚合物给体材料，如PM6/D18等(Adv.Mater.,2020,32,1908205；Adv.Funct.Mater.2021,2107934)，尽管展现出高效的光电转换效率，但这些聚合物通常涉及的合成步骤较多，制备成本较高，不利于器件商业化应用；如何在保证高光伏性能的前提下，有效降低活性层材料的成本，是加快有机太阳能电池商业化应用的重要研究方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种具有良好平面性易于电荷传输，成本低廉，且容易化学修饰的二嗪类聚合物材料，通过对缺电子单元的结构及其制备工艺进行优化，并将所得聚合物作为给体材料，应用于有机太阳能电池中，在降低成本的同时，仍能获得高的光电转换效率。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一类异构策略构筑的聚合物给体材料，它由不同给电子(D)单元与含二嗪结构的缺电子(A)单元组成，其结构式见式I，II或III：
[0007][0008]式中，R1为C1～C
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的烷基或烷基上一个碳原子被氧原子或硫原子取代；X1和X2选自CN、F、Cl、CH3、OCH3、酯基或烷基噻吩。
[0009]上述方案中，所述聚合物材料的分子量为3万～60万。
[0010]上述方案中，所述给电子单元的结构式见式IV；
[0011][0012]式中，Y选自H、F或Cl；R2为C1～C
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的烷基或烷基上一个碳原子被氧原子或硫原子取代。
[0013]上述一种具有二嗪结构的聚合物材料的制备方法，包括如下步骤：将给电子单元单体、缺电子单元单体和催化剂加入有机溶剂中混合均匀，在100～150℃和保护气氛下，进行保温反应，反应12～96h后，然后进行沉降、抽提，得所述二嗪类聚合物材料。
[0014]上述方案中，所述给电子单元单体、缺电子单元单体和催化剂的摩尔比为1:1:(0.03～0.15)。
[0015]上述方案中，所述缺电子单元单体的结构式见式V、给电子单元单体的结构式见式VI；
[0016][0017][0018]其中，Y选自H、F、Cl；R1，R2为C1～C
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的烷基或烷基上一个碳原子被氧原子或硫原子取代；X1和X2选自CN、F、Cl、CH3、OCH3、酯基或烷基噻吩。
[0019]上述方案中，所述催化剂为四(三苯基膦)钯或三(二亚苄基丙酮)二钯等；有机溶剂为甲苯、邻二甲苯、氯苯或三种溶剂中的任意一种与DMF形成的混合溶剂。
[0020]进一步地，所述混合溶剂中，甲苯、邻二甲苯、氯苯中的任意一种与DMF的体积比为(15
‑
1):1。
[0021]上述方案中，所述保护气氛可选用氮气或氩气等气氛。
[0022]上述方案中，所述针对式Ⅰ所述的缺电子单元单体的制备方法包括如下步骤：
[0023]1)以溴代烷烃为原料，在镁屑、碘单质和有机溶剂的条件下，制备格氏试剂，将其滴加至3
‑
溴噻吩溶液中进行反应制备烷基噻吩；然后在正丁基锂和三丁基氯化锡条件下，在烷基噻吩的5号位进行拔氢、上锡烷，得含烷基的噻吩锡烷；
[0024]将3
‑
氨基
‑6‑
溴吡嗪
‑2‑
甲腈进行重氮化反应(将氨基变为溴)，制备3,6
‑
二溴吡嗪
‑2‑
甲腈；
[0025]2)将所得含烷基的噻吩锡烷与3,6
‑
二溴吡嗪
‑2‑
甲腈进行脱卤偶联反应，得到受体(A)单元的前驱体，再与N
‑
溴代琥珀酰亚胺(NBS)进行溴代反应，即得所述缺电子单元单体(A单元单体)。
[0026]上述方案中，所述溴代烷烃中的碳原子数为1～20。
[0027]上述方案中，所述重氮化反应的温度为
‑
10～50℃，时间为2～12h。
[0028]上述方案中，所述脱卤偶联反应的温度为80～120℃，时间为5～24h。
[0029]本专利技术还包括以不同给电子(D)单元与含二嗪结构的缺电子(A)单元的聚合物给体材料作为活性层材料或传输层材料在光电器件中的应用。
[0030]具体地，上述聚合物材料可用于有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机发光二极管、有机探测器等。
[0031]本专利技术采用的含两个氮原子的六元单杂环二嗪缺电子单元，环上的两个氮原子均为sp2杂化，p轨道上的一个电子参加环状共轭，使其具有优异的光电性能；其良好的平面性，易形成π
‑
π堆积，有助于分子内的电荷传输，异构化将导致不同的电子云密度；且其强吸电子能力，与不同给电子(D)单元，制备不同的D
‑
A共聚物；在聚合物给体材料中，通过修饰二嗪类缺电子单元的活性位点，可以有效调节聚合物给体材料的能级以及吸收光谱；此外，本专利技术还具备价格便宜且容易制备等优势，将大大降低聚合物的合成成本，属于一种具有良好应用前景的光伏材料。
[0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0033]1)本专利技术所述聚合物是以3
‑
氨基
‑6‑
溴吡嗪
‑2‑
甲腈为原料制备的二嗪类结构的缺电子单元，其具有较多的可化学修饰位点，可有效调节聚合物分子的吸收及能级，应用于光电材料，大大提高聚合物给体材料的光伏性能；
[0034]2)二嗪类结构的缺电子单元具有良好的平面性，易形成π
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π堆积，有助于分子内的电荷传输；且制备方法简单，制备单体的其他原料较为常见，其合成步骤较少；应用于有机太阳能电池聚合物给体材料中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一类异构型聚合物给体材料，其特征在于，该聚合物的结构式见式I，II或III：式中，R1为C1～C
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的烷基或烷基上一个碳原子被氧原子或硫原子取代；X1和X2选自CN、F、Cl、CH3、OCH3、酯基或烷基噻吩。2.根据权利要求1所述的聚合物材料，其特征在于，其分子量为3万～60万。3.根据权利要求1所述的聚合物材料，其特征在于，所述给电子单元的结构式见式IV；式中，Y选自H、F或Cl；R2为C1～C
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的烷基或烷基上一个碳原子被氧原子或硫原子取代。4.权利要求1～3任一项所述聚合物材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将给电子单元单体、缺电子单元单体和催化剂加入有机溶剂中混合均匀，在加热和保护气氛下，进行保温反应，然后进行沉降、抽提，得所述聚合物材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述给电子单元单体、缺电子单元单体和催化剂的摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：高建宏，冯继宝，刘治田，朱晓东，张书语，季欢欢，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：