CN104177599A

CN104177599A - 含环戊烷并二噻吩基的聚合物及其制备方法和有机太阳能电池器件

Info

Publication number: CN104177599A
Application number: CN201310204375.5A
Authority: CN
Inventors: 周明杰; 张振华; 王平; 黄辉
Original assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Current assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2014-12-03

Abstract

本发明属于有机半导体材料领域，其公开了含环戊烷并二噻吩基的聚合物及其制备方法和有机太阳能电池器件；该聚合物具有如下结构式：式中，R为C₁～C₂₀的烷基，n为10-98的之间整数。本发明的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，具有带隙较窄及对太阳光有较高的吸收系数和在300nm～700nm较宽的吸收范围，可以提高太阳能电池器件的能量转换效率。

Description

含环戊烷并二噻吩基的聚合物及其制备方法和有机太阳能电池器件

技术领域

本发明涉及有机半导体材料领域，尤其涉及一种含环戊烷并二噻吩基的聚合物及其制备方法。本发明还涉及使用含环戊烷并二噻吩基的聚合物作为活性层电子给体材料的有机太阳能电池器件。

背景技术

利用廉价材料制备低成本、高效能的太阳能电池一直是光伏领域的研究热点和难点。有机半导体材料以其原料易得、价格低廉、工艺简单、稳定性强、光伏效应良好等优点备受关注。自1992年N.S.Sariciftci等在SCIENCE（N.S Sariciftci,L.Smilowitz,A.J.Heeger,et al.Science,1992,258,1474）上报道共轭聚合物与C₆₀之间的光诱导电子转移现象后，有机聚合物太阳能电池逐渐成为研究的热点。近年来这方面的研究取得了飞速的发展，但是有机聚合物太阳能电池仍比无机太阳能电池的转换效率低得多。为了使有机聚合物太阳能电池得到实际的应用，开发具有较高能量转换效率的新型材料仍是这一领域的首要任务。

发明内容

本发明所要解决的问题在于提供一种能量转换效率较高的含环戊烷并二噻吩基的聚合物。

本发明的技术方案如下：

一种含环戊烷并二噻吩基的聚合物，其结构式如下：

式中，R为C₁～C₂₀的烷基，n为10-98的之间整数。

本发明还提供上述含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，包括如下步骤：

分别提供如下结构式表示的化合物A和B，

A：B：其中，R为C₁～C₂₀的烷基；

在无氧环境下，将摩尔比为1:1～1.2的化合物A和B添加入含有催化剂的有机溶剂中溶解，随后于70～130°C下进行Stille耦合反应6～60小时，停止耦合反应后，分离提纯反应液，得到如下结构式的含环戊烷并二噻吩基聚合物：

式中，n为10-98的整数。

所述含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其中，无氧环境由氩气、氮气中的一种或两种构成。

所述含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其中，所述催化剂为双三苯基膦二氯化钯或四三苯基膦钯；或者

所述催化剂为有机钯与有机膦配体的混合物，且混合物中，有机膦配体的摩尔量是有机钯摩尔量的4～8倍；所述有机钯为醋酸钯或者三二氩苄基丙酮二钯；有机膦配体为三邻甲苯基膦或2-双环己基膦-2’,6’-二甲氧基联苯；

所述催化剂与所述化合物A的摩尔比为1:20～1:100。

所述含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其中，所述有机溶剂为甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的至少一种。

所述含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其中，Stille耦合反应温度为90～120°C，反应时间为12～48小时。

所述含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其中，分离提纯反应液包括：

耦合反应停止后，向反应液中加入甲醇沉析，随后通过索氏提取器过滤，在再依次用甲醇和正己烷抽提，获得有机相，然后以氯仿为溶剂抽提有机相至无色，收集氯仿溶液并旋干、真空下50°C干燥24h后，得到所述含环戊烷并二噻吩基聚合物。

本发明还涉及一种太阳能电池器件，其活性层的电子给体材料采用如下结构式的含环戊烷并二噻吩基的聚合物：

式中，R为C₁～C₂₀的烷基，n为10-98的之间整数。

本发明的含环戊烷并二噻吩基聚合物太阳能电池材料中，具有带隙较窄及对太阳光有较高的吸收系数和在300nm～700nm较宽的吸收范围等优点，可以提高太阳能电池能量转换效率。

上述含环戊烷并二噻吩基聚合物的制备方法，采用了较简单的合成路线，从而减少工艺流程，原材料价廉易得，使得制造成本降低；且值得的聚合材料结构新颖，溶解性能良好，成膜性能优良，吸收范围宽，且能量转换效率得到提高。

附图说明

图1是实施例1的含环戊烷并二噻吩基的聚合物紫外可见吸收光谱图；

图2是实施例6的有机太阳能电池器件的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例和图例来进一步说明本发明的技术案，具体包括材料制备和器件制备，但这些实施实例并不限制本发明，其中化合物A、化合物B的单体均从市场上购买得到。

实施例1：

本实施例的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正辛基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)壬烷-1-酮}，（其中，R为正辛烷基，n=30），其结构式如下：

上述聚合物的制备步骤如下：

反应式如下所示：

在氩气保护下，将2,6-二三甲基锡-4,4-二(正辛氧基)环戊烷并二噻吩(146mg,0.2mmol)、1-(4,6-二溴-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)壬烷-1-酮(91mg,0.2mmol)加入盛有10ml甲苯溶剂的烧瓶中，抽真空除氧并充入氩气，然后加入双三苯基膦二氯化钯（5.6mg,0.008mmol）；将烧瓶加热到100℃进行Stille耦合反应36h。随后，降温后停止聚合反应，向烧瓶中滴加50ml甲醇中进行沉降；通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，真空下50°C干燥24h后，得到产物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正辛基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)壬烷-1-酮}，产率75%.

测试结果为：Molecular weight(GPC,THF,R.I):M_n=31.4kDa,M_w/M_n=2.3。

图1是实施例1的含环戊烷并二噻吩基的聚合物紫外可见吸收光谱图。由图1可知，该聚合物在300nm～700nm之间有较大较宽的吸收，其中最大吸收峰位于572nm左右。

实施例2：

本实施例的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，即聚{2,6-二基-4,4-二甲基环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)二十一烷-1-酮}，（其中，R为甲基，n=53），其结构式如下：

上述聚合物的制备步骤如下：

反应式如下所示：

氮气和氩气混合气保护下，将2,6-二三甲基锡-4,4-二甲基环戊烷并二噻吩(218mg,0.3mmol)、1-(4,6-二溴-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)二十一烷-1-酮(187mg,0.3mmol)和15mL四氢呋喃加入50mL规格的两口瓶中，充分溶解后通入氮气和氩气的混合气排空气约20min后，然后将四三苯基膦钯（4mg,0.003mmol）加入其中，再充分通氮气和氩气的混合气排空气约10min后,将两口瓶加入到70℃进行Stille耦合反应60h。随后，降温后停止聚合反应，向两口瓶中加入40mL甲醇沉析，通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，收集后在真空下50℃干燥24h后，得到产物，即聚{2,6-二基-4,4-二甲基环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)二十一烷-1-酮}。产率为72%。

测试结果为：Molecular weight(GPC,THF,R.I):M_n=35.7kDa,M_w/M_n=2.2。

实施例3：

本实施例的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正二十烷基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)乙酮}，（其中，R为正二十烷基，n=10），其结构式如下：

上述聚合物的制备步骤如下：

反应式如下所示：

氮气保护下，将2,6-二三甲基锡-4,4-二(正二十烷基)环戊烷并二噻吩(319mg,0.3mmol)、1-(4,6-二溴-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)乙酮(118mg,0.33mmol)、醋酸钯(3.5mg,0.015mmol)和三（邻甲氧基苯基）膦(21mg，0.06mmol)加入到盛有12mL的N,N-二甲基甲酰胺的烧瓶中，随后往烧瓶中通氮气排空气约20min后；将烧瓶加热到130℃进行Stille耦合反应6h。随后，降温后停止聚合反应，向烧瓶中加入40mL甲醇沉析，通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h；然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，收集后在真空下50℃干燥24h后，得到产物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正二十烷基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)乙酮}，产率为78%。

测试结果为：Molecular weight(GPC,THF,R.I):M_n=11.3kDa,M_w/M_n=2.4。

实施例4：

本实施例的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正丁烷基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)十一烷-1-酮}，（其中，R为正丁基，n=98），其结构式如下：

上述聚合物的制备步骤如下：

反应式如下所示：

氮气保护下，将2,6-二三甲基锡-4,4-二(正丁烷基)环戊烷并二噻吩(185mg,0.3mmol)、1-(4,6-二溴-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)十一烷-1-酮(174mg,0.36mmol)、三二氩苄基丙酮二钯(9mg,0.009mmol)和2-双环己基膦-2’,6’-二甲氧基联苯(29mg，0.072mmol)加入到盛有12mL的N,N-二甲基甲酰胺的烧瓶中，随后往烧瓶中通氮气排空气约20min后；将烧瓶加热到120℃进行Stille耦合反应24h。随后，降温后停止聚合反应，向烧瓶中加入40mL甲醇沉析，通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h；然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，收集后在真空下50℃干燥24h后，得到产物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正丁烷基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)十一烷-1-酮}，产率为75%。测试结果为：Molecular weight(GPC,THF,R.I):M_n=61.2kDa,M_w/M_n=2.0。

实施例5：

本实施例的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正十二烷基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)庚烷-1-酮}，（其中，R为正十二烷基，n=82），其结构式如下：

上述聚合物的制备步骤如下：

反应式如下所示：

氮气和氩气混合气保护下，将2,6-二三甲基锡-4,4-二(正十二烷基)环戊烷并二噻吩(252mg,0.3mmol)、1-(4,6-二溴-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)庚烷-1-酮(154mg,0.36mmol)和15mL甲苯加入50mL规格的两口瓶中，充分溶解后通入氮气和氩气的混合气排空气约20min后，然后将四三苯基膦钯（8mg,0.006mmol）加入其中，再充分通氮气和氩气的混合气排空气约10min后,将两口瓶加入到90℃进行Stille耦合反应48h。随后，降温后停止聚合反应，向两口瓶中加入40mL甲醇沉析，通过索氏提取器过滤之后依次用甲醇和正己烷抽提24h。然后以氯仿为溶剂抽提至无色，收集氯仿溶液并旋干得到红色粉末，收集后在真空下50℃干燥24h后，得到产物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正十二烷基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)庚烷-1-酮}。产率为81%。

测试结果为：Molecular weight(GPC,THF,R.I):M_n=57.9kDa,M_w/M_n=2.1。

实施例6:

请参阅图2，一种有机太阳能电池器件60包括衬底61、阳极62、缓冲层63、活性层64及阴极65。阳极62、缓冲层63、活性层64及阴极65依次层叠形成于衬底61的一表面。

本实施例中，衬底61为玻璃。

阳极62形成于衬底61的一侧表面。本实施例中，阳极62为ITO（氧化铟锡），优选地，ITO是方块电阻为10-20Ω/口的氧化铟锡。

缓冲层63形成于阳极62远离衬底61的一侧表面。缓冲层63的材料为聚3,4-亚乙二氧基噻唑（PEDOT）与聚苯乙烯-磺酸复合材料（PSS）的混合，表示为PEDOT:PSS。

活性层64形成于缓冲层63远离阳极62的一侧表面。活性层64包括电子给体材料及电子受体材料，电子给体材料及电子受体材料的摩尔比为1:2，其中电子受体材料为（6,6）苯基-C₆₁-丁酸甲酯（PCBM），电子给体材料为本发明制备的含环戊烷并二噻吩基的聚合物；本实施方式中，电子给体材料为的实施例1中制备的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，即聚{2,6-二基-4,4-二(正辛基)环戊烷并二噻吩-co-1-(4,6-二基-3-氟噻吩并[3,4-b]噻吩-2-基)壬烷-1-酮}（用P1表示）。

阴极65形成于活性层64远离缓冲层63的一侧表面。阴极65可采用铝电极或者双金属层电极，例如Ca/Al或Ba/Al等，其厚度优选为170nm、150nm、130nm或100nm。本实施方式中，阴极65的材料为铝，厚度为170nm。

另一实施例中，缓冲层63可以省略，此时活性层64直接形成于阳极62表面。

本实施例6中，有机太阳能电池器件60的制造过程如下：

将阳极62形成于衬底61的一侧表面后进行超声波清洗，并用氧-Plasma处理后，在阳极62表面涂上一层起修饰作用的PEDOT:PSS形成缓冲层63。

在缓冲层64上涂覆一层活性层64。该活性层64包括电子给体材料及电子受体材料，其中电子受体材料为PCBM，电子给体材料为的实施例1中制备的P1。

在活性层64表面形成阴极65。本实施方式中，阴极65为由真空蒸镀形成的铝层。阴极65的厚度为170nm。

在本实施例中，该有机太阳能电池器件60经过110摄氏度密闭条件下4小时，再降到室温，太阳能电池器件经过退火后能有效增加分子内各基团和分子链段间排列的有序性和规整度，提高载流子迁移率的传输速度和效率，提高光电转换效率。

在AM1.5G100mW/cm²光照下，基于实施例1中的共聚物P1为给体材料的本体异质结有机太阳能电池器件60的能量转换效率2.7%。

该有机太阳能电池器件60使用时，在光照下，光透过衬底61和阳极62，活性层64中的传导空穴型电致发光材料吸收光能，并产生激子，这些激子再迁移到电子给体/受体材料的界面处，并将电子转移给电子受体材料，如PCBM，实现电荷的分离，从而形成自由的载流子，即自由的电子和空穴。这些自由的电子沿电子受体材料向阴极65传递并被阴极所收集，自由的空穴沿电子给体材料向阳极62传递并被阳极62所收集，从而形成光电流和光电压，实现光电转换，外接负载时，可对其进行供电。在此过程中，传导空穴型电致发光材料由于其具有很宽的光谱响应范围，能够更充分地利用光能，以获得更高的光电转换效率，增加太阳能电池器件的产电能力。而且这种有机材料还能减轻太阳能电池器件的质量，并通过旋涂等技术即可制作，便于大批量的制备。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种含环戊烷并二噻吩基的聚合物，其特征在于，其结构式如下：

式中，R为C₁～C₂₀的烷基，n为10-98的之间整数。

2.根据权利要求2所述的含环戊烷并二噻吩基的聚合物，其特征在于，包括以下聚合物中的一种：

3.一种含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别提供如下结构式表示的化合物A和B，

A：B：其中，R为C₁～C₂₀的烷基；

式中，n为10-98的整数。

4.根据权利要求3所述的含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其特征在于，所述催化剂为双三苯基膦二氯化钯或四三苯基膦钯；所述催化剂与所述化合物A的摩尔比为1:20～1:100。

5.根据权利要求3所述的含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其特征在于，所述催化剂为有机钯与有机膦配体的混合物，且混合物中，有机膦配体的摩尔量是有机钯摩尔量的4～8倍；所述催化剂与所述化合物A的摩尔比为1:20～1:100。

6.根据权利要求5所述的含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其特征在于，所述有机钯为醋酸钯或者三二氩苄基丙酮二钯；有机膦配体为三邻甲苯基膦或2-双环己基膦-2’,6’-二甲氧基联苯。

7.根据权利要求3所述的含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃中的至少一种。

8.根据权利要求3所述的含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其特征在于，Stille耦合反应温度为90～120°C，反应时间为12～48小时。

9.根据权利要求3所述的含环戊烷并二噻吩基的聚合物的制备方法，其特征在于，分离提纯反应液包括：

10.一种有机太阳能电池器件，其特征在于，其活性层的电子给体材料采用如下结构式的含环戊烷并二噻吩基的聚合物：

式中，R为C₁～C₂₀的烷基，n为10-98的之间整数。