随机共轭共聚物制造技术

本发明专利技术提供一种随机共轭共聚物

【技术实现步骤摘要】
随机共轭共聚物、其制备方法与其在有机光伏元件上的应用


[0001]本专利技术关于有机半导体材料
，特别是指随机共轭共聚物
、
其制备方法与其在有机光伏元件上的应用
。

技术介绍

[0002]随着时代演进，能源资源如煤炭
、
石油
、
天然气与核能的消耗量日益渐增，能源危机也相对浮现出来，因此发展了太阳能发电
。
太阳能发电是一种可再生的环保发电方式且可降低环境污染的环保发电方式
。
第一代太阳能电池以硅晶
(silicon based)
太阳能电池为大宗，其具有高光电转换率
。
第二代太阳能电池为薄膜型
(thin
‑
film)
的碲化镉
(CdTe)
太阳能电池，但其原料的毒性与制作过程对于环境有较大的污染
。
于是，第三代有机太阳能电池随的蕴育而生，其包含染料敏化电池
(dye
‑
sensitized solar cell
，
DSSC)、
纳米结晶电池或有机光伏元件
(organic photovoltaic
，
OPV)。
与需利用真空制程镀膜制作的无机材料相比，有机光伏元件可使用浸涂
、
旋转涂布
、
狭缝式涂布
、
网版印刷
、
喷墨印刷等方式制作，因此更容易实现低成本及大规模生产的经济效益
。
其中，新一代的有机光伏元件于制作时即是以电子受体材料搭配电子给体材料
(
共聚物
)
做为有源层
(
光吸收层，也称为光活性层或光活化层
)
的材料
。
新一代的有机光伏元件具有几项优点：
(1)
质量轻，且制作成本低；
(2)
具有可挠性；
(3)
元件结构可设计性强；
(4)
适用于湿式制程，可大面积涂布
。
[0003]早期有机光伏元件在电子受体材料上的发展大多是以富勒烯衍生物
(
例如
PC60BM
与
PC70BM)
为主，然而富勒烯衍生物本身存在着以下缺点：在光照下易二聚
、
加热时易结晶
、
可见光区吸收弱
、
结构修饰与纯化较不易
、
价格昂贵等
。
因此近年来各界积极开发非富勒烯的电子受体材料以求更高性能表现，但因非富勒烯的电子受体材料为窄能隙材料，与其搭配的电子给体材料需要具有宽能隙特性
。
因此，开发具有宽能隙的电子给体材料
(
共聚物
)
，使其能与非富勒烯的电子受体材料搭配而能作为有机光伏元件的有源层，进而有效提升有机光伏元件的能量转换效率
(PCE)
，成为目前致力研究的目标
。
[0004]此外，一般的电子给体材料共轭聚合物结构上是以推电子基团和拉电子基团结合而成推
‑
拉
(donor
‑
acceptor)
电子共振的结构来达成能阶与能隙的需求，同时通过提高分子结构中的极化程度来诱导产生较强的分子间
π
‑
π
堆叠
(
π
‑
π
stacking)
性，提高结晶性与分子聚集程度，进而使有机光伏有源层
(
光活性层
)
混合膜形成适当的相分离，达到提高有机光伏的效能
。
值得注意的是，电子给体材料共轭聚合物在考量制程的可行性时，需要平衡能阶
、
能隙
、
π
‑
π
堆叠性
、
溶解度以及材料的稳定性等多方面的需求；然而在引入较大的侧链取代基来满足溶解度需求时，较大的侧链取代基却容易使材料产生型态
(morphology)
的变化，进而造成材料在耐热性或长时间的稳定性出现问题
。
是以，上述电子给体材料在能隙和搭配受体材料时存在的限制和挑战有待克服
。

技术实现思路

[0005]考虑到含喹喔啉
(quinoxaline
，
C8H6N2)
衍生物基团的共聚物因具有宽能隙的特
性，适合与非富勒烯受体材料搭配使用并可得到良好的功率转换效率
(PCE)
；然而如前所述，为解决溶解度需求而引入较大的侧链取代基的作法会导致材料的型态容易产生变化，使材料的耐热性或长时间的稳定性上存在相当的疑虑
。
此外，苯并噻二唑
(benzothiadiazole
，
C6H4N2S)
基团的极化度较高，可以有较高的分子间
π
‑
π
堆叠性，但是在与富电子基团形成共轭共聚物后，苯并噻二唑基团因具有较强的拉电子性，导致其形成的共聚物具有能隙较窄的特性，从而不适合与高效率的窄能隙非富勒烯受体材料搭配使用
。
[0006]是以，有鉴于上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种随机共轭共聚物
、
其制备方法与其在有机光伏元件上的应用
。
本专利技术提供的随机共轭共聚物一种
p
‑
型共轭聚合物，其结合了两种缺电子基团单体：含喹喔啉基团单体和含有苯并噻二唑基团单体，并与一至两种富电子基团单体混合进行聚合反应，从而形成三元或四元随机共轭共聚物
。
此外，含有苯并噻二唑基团单体中的噻吩
(thiophene
，
C4H4S)
具有的卤素取代基能够与相邻噻吩上的硫原子之间产生非共价性交互作用
(non
‑
covalent interaction)
，这有助于提高分子的共平面性
。
[0007]为达上述目的，本专利技术提供一种随机共轭共聚物，其由如下式
(1)
及式
(2)
的缺电子基团单体与如下式
(3)
之一至两种富电子基团单体混合聚合形成：
[0008][0009]于式
(1)
中，
R1与
R2各自独立地为芳基
(aryl group)
或杂芳基
(heteroaryl group)
；
[0010][0011]于式
(2)
中，
X1与
X2各自独立地为
H、F
或
Cl
，且
X1与
X2至少有一个为
F
或
Cl
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种随机共轭共聚物，其由如下式
(1)
及式
(2)
的缺电子基团单体与如下式
(3)
之一至两种富电子基团单体混合聚合形成：于式
(1)
中，
R1与
R2各自独立地为芳基
(aryl group)
或杂芳基
(heteroaryl group)
；于式
(2)
中，
X1与
X2各自独立地为
H、F
或
Cl
，且
X1与
X2至少有一个为
F
或
Cl
；
X3与
X4各自独立地为
H、F
或
Cl
，且
X3与
X4至少有一个为
F
或
Cl
；于式
(3)
中，
R3与
R4各自独立地为芳基或杂芳基
。2.
如权利要求1所述的随机共轭共聚物，于该式
(1)
中，
R1至
R2各自独立地为杂芳基且具有如下式
(1b)
的结构，于式
(1b)
中，
n2为
1、2、3、4
或5；
R8至
R
10
各自独立地为
H、F、Cl、R5或
‑
CN
基；
R5为未经取代或经至少一个
R6取代的
C6～
C
20
直链
、
支链或环状烷基，或未经取代或经至少一个
R6取代的
C6～
C
20
烯基，或未经取代或经至少一个
R6取代的
C6～
C
20
炔基；
R6为卤素
。3.
如权利要求2所述的随机共轭共聚物，于该式
(1)
中，
R1与
R2各自独立地为杂芳基且具
有如下式
(1c)
或式
(1d)
的结构，
。4.
如权利要求2所述的随机共轭共聚物，于该式
(2)
中，
X1与
X2至少有一个为
Cl
，且
X3与
X4各自独立地为
H
或
Cl
，且
X3与
X4至少有一个为
Cl。5.
如权利要求2所述的随机共轭共聚物，于该式
(3)
中，
R3与
R4各自独立地为杂芳基且具有如下式
(3a)
的结构，于式
(3a)
中，
X
为
H、F
或
Cl

【专利技术属性】
技术研发人员：路盛智，张欣凤，施宏旻，柯崇文，
申请(专利权)人：位速科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：