CN104974334B - 一种有机电子传输材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一类共轭聚合物材料，其化学结构特点主要是具有两种或两种以上的共轭吸电子基团和直接通过共价键链接或通过键接基团键接组成。此类材料可作为活性材料应用于光电电子器件，其中包括有机太阳能电池以及有机薄膜晶体管等。例如，利用此类材料作为太阳能电池材料中的受体材料，能够拥有较低LUMO能级，同时针对吸电子基团以及键接基团的改性，能够很好地调节材料的光学吸收，调控材料的分子堆积模式，改善材料成膜的性能，从而提高太阳能电池的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一类电子传输材料及其在有机电子器件中的应用。相应的电子器件可以为有机发光二极管(OLED)，有机存储器件，有机场效应晶体管(OTFT)，有机太阳能电池(OSC)，以及基于钙钛矿材料的太阳能电池。
背景技术
1977年，Heeger，MacDiarmid以及白川英树发现了高导电率的聚乙炔，这一发现不仅改变了人们对有机材料的认识，还开创了有机电子学这一崭新的领域。发展最迅速的是有机半导体领域。1986年，第一个以聚噻吩为活性层的有机场效应晶体管(Organic field-effect transistor，OFET)问世；同年，Tang首次报道了基于酞青和苝衍生物的双层异质结有机太阳能电池(Organic photovoltaic，OPV)，次年又报道了第一个基于羟基喹啉衍生物的电致发光二极管(Organic light-emmiting diode，OLED)。这三类基本有机电子学器件的成功研制对有机电子学具有里程碑式的意义。
聚合物太阳能电池具有成本低，重量轻，可弯曲，制备简单等优点，是未来能源行业，太阳能电池领域最有前途的技术。随着人们对太阳能给体材料的研究深入，电子传输材料的缺乏和匹配问题成了制约太阳能电池发展的瓶颈。对于电子传输材料的研究和改进主要集中在如何调节材料的能级使得和其它材料形成更好的能级匹配，如何调整带隙改进材料的吸光能力、调整材料的结构，得到更好的电荷迁移率和更高的光电性能。
基于NDI的有机电子传输材料在研究中获得了比较好的性能。其中明星分子N2200作为现有报道的一种性能稳定的N-型材料在很多文章中都有报道，并且在全聚合物太阳能电池中取得了比较不错的性能。详细请参阅文献(1)Arthur Markus Anton，RobertSteyrleuthner，Wilhelm Kossack，DieterNeher，and Friedrich KremerJ.Am.Chen.Soc2015，137,6034-6043.文献(2)Jae Woong Jung，Jea Woong Jo，Chu-Chen Chueh，FengLiu，Won Ho Jo，Thomas P.Russell，andAlex K.-Y.JenAdv.Mater.2015,27,3310-3317.文献(3)Cheng Mu，Peng Liu，Wei Ma，Kui Jiang，Jingbo Zhao，Kai Zhang，Zhihua Chen，Zhanhua Wei，Ya Yi，Jiannong Wang，Shihe Yang，Fei Huang，Antonio Facchetti，HaraldAde，and He Yan，Adv.Mater.2014，26，7224-7230.
发明内容
本发明的目的在于，通过共聚反应，调节材料的能级，调控带隙，增强吸收光谱，调控材料的堆积情况以实现太阳能电池、有机场效应晶体管、有机发光二极管等器件效率的提高。
本发明的技术方案：本发明合成的材料为直链聚合物，其结构特点主要是具有两种或两种以上的共轭吸电子基团和直接通过共价键链接或通过键接基团键接组成。
其中吸电子基团可以为是带有两个反应位点的共轭结构中的任意一种或多种，具体可以是如下结构：
其中X1，X2，X3，X4……Xn＝CH或CF或CCl或CCN或CCF3或N或CCmH2m-5(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-3(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-1(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m+1(m＝1、2、3……、40)或＝CCmH2m-5O(n＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-3O(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-1O(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m+1O(m＝1、2、 3……、40)。
R＝H或CmH2m-5(m＝1、2、3……、40)，或CmH2m-3(m＝1、2、3……、40)，或CmH2m-1(m＝1、2、3……、40)，或CmH2m+1(m＝1、2、3……、40)或＝CmH2m-5O(m＝1、2、3……、40)，或CmH2m-3O(m＝1、2、3……、40)，或CmH2m-1O(m＝1、2、3……、40)，或CmH2m+1O(m＝1、2、3……、40)。
键接基团可以是一种或多种到如下结构：
其中X1，X2，X3，X4……Xn＝CH或CF或CCl或CCN或CCF3或N或CCmH2m-5(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-3(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-1(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m+1(m＝1、2、3……、40)或＝CCmH2m-5O(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-3O(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m-1O(m＝1、2、3……、40)，或CCmH2m+1O(m＝1、2、3……、40)。
作为优选结构，我们通过改变聚合物中与间的比例，合成了以下7个聚合物，构成R-change系列。
作为优选结构，我们通过改变聚合物中与间的比例，合成了以下6个聚合物，构成F-change系列。
本发明通过共聚的方法，将第三组分引入聚合物中，通过引入组分的种类以及组分的比例，从而达到调控材料能级，带隙，平面性和聚集程度，从而调节材料的光电学性能。
本发明采用Stille偶联合成方法，主要步骤如下：
在惰性气氛中，将一定摩尔比的物质加入含有催化剂的有机溶剂中，在90至150℃的条件下，进行Stille聚合反应6至60小时，反应结束后，制得聚合产物。
优选地，Pd(PPh3)4(5-10mg)
优选地，溶剂可以是甲苯、氯苯
优选地，惰性气体必须是氮气或者氩气
优选地，反应温度在100至140℃。
优选地，反应时间在2至2.5天
优选地，下反应1至3天。
优选地，需要对stille产物后处理，上述反应分离提纯方法为：
在反应物中加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，依次经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。
利用本发明合成的材料具有良好的光学吸收，同时通过比例的调控，能很好地改变能 级和聚集程度，是一种可替代PCBM的有机电子传输材料。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与本发明的实例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明是本发明实例中聚合物单体结构以及命名对应关系。
图2是本发明聚合物R-change系列在溶液中的UV图。
图3是本发明聚合物F-change系列在溶液中的UV图。
图4是本发明聚合物R-change系列LUMO，HOMO能级以及分子量与分子量分布。
具体实施方案：
实例1：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物1，结构式如下：
聚合物1的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.2mmol，166.1mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水氯苯(5ml)。除氧，氮气保护。在130℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为90％。
实例2：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物2，结构式如下：
聚合物2的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.14mmol，116.2mg)，DTBT-2F-2Sn(0.06mmol，39.7mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水氯苯(5ml)。除氧，氮气保护。在130℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为87％。
实例3：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物3，结构式如下：
聚合物3的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.10mmol，83.0mg)，DTBT-2F-2Sn(0.10mmol，66.2mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水氯苯(5ml)。除氧，氮气保护。在130℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为87％。
实例4：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物4，结构式如下：
聚合物4的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.06mmol，49.8mg)，DTBT-2F-2Sn(0.14mmol，92.7mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水氯苯(5ml)。除氧，氮气保护。在130℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为80％。
实例5：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物5，结构式如下：
聚合物5的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.05mmol，41.5mg)，DTBT-2F-2Sn(0.15mmol，99.3mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水氯苯(5ml)。除氧，氮气保护。在130℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为76％。
实例6：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物6，结构式如下：
聚合物6的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.04mmol，33.2mg)，DTBT-2F-2Sn(0.16mmol，105.9mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水氯苯(5ml)。除氧，氮气保护。在130℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为78％。
实例7：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物7，结构式如下：
聚合物7的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.03mmol，24.9mg)，DTBT-2F-2Sn(0.17mmol，112.5mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水氯苯(5ml)。除氧，氮气保护。在130℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为70％。
实例8：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物8，结构式如下：
聚合物8的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.2mmol，166.1mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水甲苯(5ml)。除氧，氮气保护。在115℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为85％。
实例9：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物9，结构式如下：
聚合物9的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.14mmol，116.2mg)，DTBT-2R-2Sn(0.06mmol，47.7mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水甲苯(5ml)。除氧，氮气保护。在115℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为85％。
实例10：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物10，结构式如下：
聚合物10的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.10mmol，83.0mg)，DTBT-2R-2Sn(0.10mmol，79.4mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水甲苯(5ml)。除氧，氮气保护。在115℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为85％。
实例11：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物11，结构式如下：
聚合物11的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.06mmol，49.8mg)，DTBT-2R-2Sn(0.14mmol，111.2mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水甲苯(5ml)。除氧，氮气保护。在115℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为85％。
实例12：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物12，结构式如下：
聚合物12的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.04mmol，33.2mg)，DTBT-2R-2Sn(0.16mmol，127.1mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水甲苯(5ml)。除氧，氮气保护。在115℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为85％。
实例13：
一种基于NDI和DTBT的共聚物。记为聚合物13，结构式如下：
聚合物13的制备步骤如下：
在10ml的史莱克管中加入NDI-C20-2Br(0.2mmol，197.0mg)，DTBT-2R-2F-2Sn(0.00mmol，0.0mg)，DTBT-2R-2Sn(0.20mmol，158.9mg)，Pd(PPh3)4(10mg)，无水甲苯(5ml)。除氧，氮气保护。在115℃下反应2.5d。产物处理：反应加入少量溶剂，在大量甲醇中沉淀，抽滤得固体。氮气保护下索氏提取，经甲醇，正己烷，氯仿，二氯苯。最终收集氯仿和二氯苯中的物质，分别旋蒸，烘干封装。得到黑色固体，产率为85％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一类有机电子传输材料，其结构为:
2.权利要求1所述的有机电子传输材料的LUMO能级在-3.5eV以下。
3.将根据权利要求1所述的有机电子传输材料应用于电子器件，其中包括有机发光二极管，有机场效应晶体管，有机存储器件，有机太阳能电池，染料敏化电池，以及基于钙钛矿材料的太阳能电池。
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