JP2020528958A - 1,2,5,6−ナフタレンジイミドコポリマー - Google Patents

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Abstract

反復単位A【化1】を含んでなるコポリマー、ここで反復単位Aは1,2,5,6−ナフタレンジイミドモノマーおよび少なくとも1つの反復単位Bを含んでなり、ここで反復単位Bはアリール基を含んでなる。コポリマーはレジオ—ランダムまたはレジオ—レギュラーであることができる。【選択図】図1

Description

関連出願との関係
本出願は、「1,2,5,6−ナフタレンジイミドコポリマー」という表題の2017年7月28日に出願された米国特許仮出願第62/538,405号明細書、および2018年7月18日に出願された米国特許出願第16/038,316号明細書の利益および優先権を主張するPCT国際出願であり、双方とも引用により全部、本明細書に編入する。
連邦政府により資金提供を受けた研究開発に関する記載
なし
本発明は、有機太陽光発電用の高性能ワイドバンドギャップ(wide−bandgap)ポリマーに関する。
太陽光発電を使用する太陽エネルギーには、光を電気に変換する活性な半導体材料が必要である。現在、シリコンに基づく太陽電池がそれらの高い電力変換効率から優位を保っている技術である。最近、有機材料に基づく太陽電池が、特に材料および処理において潜在的に低コストであるという興味深い特性を示した。
有機太陽光発電電池は、従来のシリコンに基づく装置と比べた場合に多くの有望な利点を有する。有機太陽光発電電池は重量が軽く、使用する材料が経済的で、しかも柔軟なプラスチックホイルのような低コスト基材に付着することができる。しかし有機太陽光発電装置は一般に、比較的電力変換効率が低い(入射光子 対 生成されるエネルギーの比)。これは一部は活性層の形態によると考えられる。生成した電荷担体は、再結合(recombination)または消光が起こる前にそれらの各電極に移動しなければならない。励起子の拡散長は、一般に光吸収長よりもかなり短く、これには厚く抵抗が高い電池で多数回または高度に折りたたまれるインターフェースを使用することとの、あるいは薄い電池で低い光吸収効率との間の妥協点を求めることが必要となる。
角のある形態(angular−shaped)の1,2,5,6−ナフタレンテトラカルボン酸ジイミド(NDI)モノマーは、他の有機電子工学の応用で高度に伝導性であることが示された。低いポリマーバンドギャップのNDI系ポリマーの必要性が存在する。
Figure 2020528958
を含んでなる反復単位A、およびアリール基を含んでなる少なくとも1つの反復単位Bを含んでなるコポリマー。
本発明およびその利点のより完全な理解は、添付の図面と一緒に以下の説明を参照することにより得ることができる。
従来の装置の構造および本発明の装置の構造を表す。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを表す。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを表す。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを表す。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを表す。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを表す。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを表す。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを表す。
ポリマーAおよびポリマーCのUV可視吸収スペクトルを表す。 ソーラーシュミレーターの結果として、ポリマーAおよびポリマーCのUV可視吸収スペクトルを表す。
詳細な説明
ここで今、本発明の好適な構成(1もしくは複数)の詳細な説明に移り、本発明の特徴および概念は他の構成でも実現できること、ならびに本発明の範囲は記載または具体的に説明する態様に限定されないと理解すべきである。本発明の範囲は、続く請求の範囲により限定されるのみであると意図している。
本明細書で使用するように、「アルキル」は脂肪族炭化水素鎖を指す。1つの態様では、脂肪族炭化水素鎖は、1から約100個の炭素原子、好ましくは1から30個の炭素原子、より好ましくは1から20個の炭素原子であり、そしてより一層好ましくは、そしてメチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、t−ブチル、n−ペンチル、イソぺンチル、ネオ−ペンチル、n−ヘキシルおよびイソヘキシルのような直鎖および分岐鎖を含む。本出願では、アルキル基は置換および非置換アルキル基の可能性を含むことができる。
本明細書で使用する「アルコキシ」は基R−O−を指し、ここでRは1から100個の炭素原子のアルキル基である。本出願では、アルコキシ基は置換および非置換アルコキシ基の可能性を含むことができる。
本明細書で使用する「アリール」は、約5から約50個の炭素原子(およびその中の炭素原子数の範囲および具体的数の全ての組み合わせおよび部分的組み合わせ)を有する、場合により置換されたモノ−、ジ−、トリ−、または他の多環式芳香族環系を指し、約6から約20個の炭素原子が好適である。非限定的例には例えば、フェニル、ナフチル、アントラセニル、およびフェナントレニルを含む。アリール基は場合により1もしくは1以上のRxで置換され得る。本出願では、アリール基は置換アリール基、架橋アリール基および縮合アリール基の可能性を含むことができる。
本明細書で使用する「エステル」は、式―COORの基を表し、式中Rは「アルキル」、「アリール」、「ヘテロシクロアルキル」または「ヘテロアリール」部分を表すか、あるいは上記定義のように置換されたものを表す。
本明細書で使用する「ケトン」は、−C(O)Rxのような炭素原子に連結されたカルボニル基を有する有機化合物を表し、ここでRxはアルキル、アリール、シクロアルキル、シクロアルケニルまたは複素環であることができる。
本明細書で使用する「アミド」は、式「−C(O)NRxy」の基を表し、式中、RxおよびRyは、同じか、または独立してH、アルキル、アリール、シクロアルキル、シクロアルケニルまたは複素環であることができる。
本発明の特定態様の以下の例を与える。各例は本発明の説明により提供され、本発明の多くの態様の1つおよび以下の例が本発明の範囲を限定し、または定めると読まれるべきではない。
装置の構造
太陽光発電装置として使用する場合、構造は従来の構造の装置でよいが、他の点は逆構造の装置であることができる。従来構造の装置は一般に、正電荷(正孔)を集めるための基材として透明なアノード、および負電荷(電子)を集めるためのカソードを含む多層構造で構成され、そして光活性層が2つの電極間に挟まれている。追加の電荷移動中間層が、正孔および電子移動を容易にするために活性層と電極との間に挿入される。各電荷移動層は、1もしくは複数の層からなることができる。逆装置は従来構造の装置と同じ多層構造を有するが、電子を集めるための基材として透明なカソード、および正孔を集めるためにカソードを使用する。また逆装置は2つの電極間に挟まれた光活性層および追加の電荷移動層も有する。図1は従来装置の構造および逆装置の構造を表す。
反復単位A:
1つの態様では、反復単位Aは1,2,5,6−ナフタレンジイミドモノマー
Figure 2020528958
を含んでなる。
1つの態様では、1,2,5,6−ナフタレンジイミドモノマーの合成法は、
Figure 2020528958
を生成するために2,6−ナフタレンジオールを変換することが関与することができる。この方法の1つの態様では、温度は約290℃を越えない。他の態様ではこの反応のいずれも280℃、270℃、260℃、250℃、240℃、230℃、220℃、210℃、200℃、190℃、180℃、170℃、160℃、またはさらに150℃を越えない。さらに、別の態様では、
Figure 2020528958
を生成するための2,6−ナフタレンジオールからの変換は、シアン化物含有試薬を含まない。
1つの態様では、1,2,5,6−ナフタレンジイミドモノマーを生成する方法は、
Figure 2020528958
を生成するために2,6−ナフタレンジオールを臭素化することから始めることができる。ジオール
Figure 2020528958
は次いで
Figure 2020528958
に変換される。この変換中、トリフルオロメタンスルホン酸無水物が、ピリジンの前、またはピリジンの後のいずれかで加えられる。
Figure 2020528958
は次いでソノガシラカップリング条件に暴露されて
Figure 2020528958
を形成する。
Figure 2020528958
は次いで酸化されて
Figure 2020528958
を生成した。次いでこれ
Figure 2020528958
を環状化して
Figure 2020528958
を生成した。
Figure 2020528958
の変換で
Figure 2020528958
を生成し、続いて臭素化により
Figure 2020528958
を生成して方法が完了する。
1つの態様では、1,2,5,6−ナフタレンジイミドモノマーの生成法は一連の反応として表すことができる。この方法では、2,6−ナフタレンジオールを反応させて反応混合物Aを生成し、ここで反復混合物Aは:
Figure 2020528958
を含んでなる。次いで
Figure 2020528958
は、反応して反応混合物Bを生成し、ここで反応混合物Bは、
Figure 2020528958
を含んでなる。次いで
Figure 2020528958
は反応して反応混合物Cを生成し、ここで反復混合物Cは、
Figure 2020528958
を含んでなる。次いで
Figure 2020528958
は反応して反応混合物Dを生成し、ここで反応混合物Dは
Figure 2020528958
を含んでなる。次いで
Figure 2020528958
は反応して反応混合物Eを生成し、ここで反応混合物Eは
Figure 2020528958
を含んでなる。次いで
Figure 2020528958
は反応して反応混合物Fを生成し、ここで反応混合物Fは
Figure 2020528958
を含んでなる。最終反応には、
Figure 2020528958
を反応させて反応混合物Gを生成することを含み、ここで反応混合物Gは
Figure 2020528958
を含んでなる。
1,2,5,6−ナフタレンジイミドモノマーを生成するより詳細な態様では、この方法が2,6−ナフタレンジオール(10.16g、63.43ミリモル)の溶液をテトラヒドロフラン(110mL)中に取り、そしてこの溶液を約0℃に冷却することから始めることができ、次いでN−ブロモスクシンイミド(22.58g、0.13モル)でゆっくりと処理する。次いでフラスコの上に復水器を乗せ、そして約60に約3時間加熱し、次いで室温に冷却した。この反応混合物Aは飽和Na223水溶液(〜250mL)および水(〜1.5L)で希釈し、そして生じた固体を濾過により集め、そして真空下で約18時間、放置した。所望の産物
Figure 2020528958
(19.5g、0.061モル、収率97%)を褐色固体として得た。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを図2に示す。
方法の次の反応は、
Figure 2020528958
をシュレンクフラスコに入れることを含む。高温のオーブン乾燥したシュレンクフラスコは、約30分間、真空状態にし、アルゴンを再充填し、次いで
Figure 2020528958
(10g、31.45ミリモル)を入れ、そして約1時間、真空状態にした。フラスコにアルゴンを再充填し、そして乾燥ジクロロメタン(300mL)を加えた。生じた懸濁液を約0℃で約15分間冷却し、次いでトリフルオロメタンスルホン酸無水物(11.62mL、0.069モル)を滴下し、続いてピリジン(15.2mL、0.189モル)を滴下した。次いで反応を徐々に室温に温め、そして約18時間撹拌した。反応混合物をジクロロメタンおよび水で希釈し、次いで分液漏斗に移した。水性層を塩酸で酸性とし、次いでジクロロメタンで抽出した。合わせた有機抽出物を乾燥し(MgSO4)、濾過し、そして反応混合物Bに濃縮した。次いで反応混合物Bをジクロロメタンとアセトンとの混合物で希釈し、4”x6”カラムの上部に乗せ、そしてジクロロメタンで溶出した。
Figure 2020528958
を含む全ての画分を濃縮した。次いでこの物質をジクロロメタンに溶解し、シリカゲルに吸着させ、そして340gのBiotageシリカゲルカートリッジで、10−30%のジクロロメタン/ヘキサン勾配で精製した。純粋な生成物
Figure 2020528958
を含む画分が濃縮され(15.2g、0.026モル、収率83%)、そして白色結晶固体であった。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを図3に示す。
方法の次の反応は、最初に高温でオーブン乾燥したシュレンクフラスコを取り、そして約1時間、真空とし、続いてアルゴンを再充填することを含む。次いで
Figure 2020528958
(11.6g、19.9ミリモル)、CuI(1.14g、6ミリモル)、およびPd(PPh32Cl2(2.1g、3ミリモル)をフラスコに加え、次いで約30分間、脱気した。アルゴンを再充填した後、乾燥テトラヒドロフラン(50mL、モル)を加え、そして2回の凍結脱気(freeze−pump−thaw)サイクルを行った。次いで混合物を室温に温め、そしてトリエチルアミン(16.7mL、120ミリモル)およびトリメチルシリルアセチレン(28.4mL、200ミリモル)で処理した。次いで反応物を約40℃で約3日間撹拌した。反応混合物Cを室温に冷却し、次いで水に注ぎ、そしてジクロロメタンで抽出した。合わせた有機抽出物を乾燥し(MgSO4)、濾過し、そして濃縮した。粗生成物をジクロロメタンに溶解し、シリカゲルに吸着させ、そして340gのBiotageカラムで0−15%のジクロロメタン/ヘキサン勾配で精製した。生成物を含む任意の画分を濃縮して
Figure 2020528958
(8.3g、16ミリモル、収率62%)をオレンジ色の固体として生成した。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを図4に示す。
フラスコ内で
Figure 2020528958
(3.78g、7.4ミリモル)、FeCl3(H2O)6(0.4g、1.5ミリモル)、水(30mL)およびtert−ブチルヒドロペルオキシド溶液(水中70重量%、24.5mL)を合わせた。混合物を室温で1時間撹拌し、次いでNaOH(4.7g、117.9ミリモル)で処理し、復水器およびAr入口を乗せ、そして約80℃に約18時間加熱した。次いで反応混合物を室温に冷却し、水で希釈し、0℃に冷却し、そしてHClで酸性として反応混合物Dを生成した。反応混合物Dは濾紙で濾過し、固体を捨て、そして濾液を分液漏斗に移し、そして酢酸エチルで抽出した。合わせた有機抽出物を乾燥し(MgSO4)し、濾過し、そして濃縮し、次いで真空下に一晩おいた。
Figure 2020528958
が茶−オレンジ色の固体(1.89g、6ミリモル、収率84%)として得られた。この物質をさらに精製せずに進めた。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを図5に示す。
方法の次の反応は丸底フラスコを取り、
Figure 2020528958
(1.89g、6.2ミリモル)および無水酢酸(45mL)を合わせることから始まり、次いで復水器およびアルゴン入口を乗せ、そして約140℃に約24時間加熱して反応混合物Eを生成する。反応混合物Eを濃縮し、そして
Figure 2020528958
(1.63g、6ミリモル、収率98%)が暗茶色の薄片状固体として得られた。
Figure 2020528958
をさらに精製せずに使用した。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを図6に示す。
方法の次の段階は、
Figure 2020528958
(2.8g、10ミリモル)をフラスコに入れ、そして真空下に約2時間放置することから始める。フラスコにアルゴンを再充填し、そしてトルエン(100mL)および2−エチルヘキシルアミン(5.1mL、31ミリモル)を加えた。フラスコに復水器およびアルゴンバルーンを取り付け、そして反応物を約110℃に約18時間加熱した。反応混合物を濃縮し、そして残渣をチオニルクロライド(60mL)で処理し、復水器およびアルゴンバルーンを乗せ、そして約80℃に約5時間加熱した。チオニルクロライドはrotovapを介して除去し、そして残る残渣の反応混合物Fをジクロロメタンに溶解し、シリカゲルに吸着させ、そして100gのBiotageシリカゲルカラムで30−100%のジクロロメタン/ヘキサン勾配を用いて精製した。反応混合物Fを濃縮して
Figure 2020528958
(1.7g、3ミリモル、収率33%)を褐色固体として生成した。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを図7に示す。
方法の最終段階は、
Figure 2020528958
(1.2g、2ミリモル)を丸底フラスコ中で、トリフルオロ酢酸(12mL)および硫酸(3mL)に溶解することから始まり、次いでN−ブロモスクシンイミド(1.3g、7ミリモル)で少しずつ処理した。フラスコにアルゴンバルーンを乗せ、そして反応物を約55℃で約18時間加熱した。反応混合物の薄層クロマトグラフィーでは、幾らかの未反応出発物質が示されたので、追加のN−ブロモスクシンイミド(0.44g、2ミリモル)を加え、そして反応物を約55℃で約1時間撹拌した。室温に冷却した後、反応を氷で止め、次いで分液漏斗に移し、そしてジクロロメタンで抽出して反応混合物Gを生成した。反応混合物Gの有機抽出物を乾燥し(MgSO4)、濾過し、そして濃縮した。粗生成物をジクロロメタンに溶解し、シリカに吸着させ、そして100gのBiotageシリカゲルカラムで、0−100%のジクロロメタン/ヘキサン勾配を用いて精製した。次いで反応混合物Gを濃縮して
Figure 2020528958
(380mg、0.586ミリモル、収率24%)を黄色い固体として生成した。
Figure 2020528958
1H NMRスペクトルを図8示す。
反復単位B:
1つの態様では、少なくとも1つの反復単位Bは、約5から約50個の炭素原子(およびその中の炭素数の範囲および具体的数の全ての組み合わせおよび部分的組み合わせ)を有する、場合により置換されたモノ−、ジ−、トリ−、または他の多環式芳香族環系を指し、約6から約20個の炭素原子が好適である。非限定的例には例えば、フェニル、ナフチル、アントラセニル、およびフェナントレニルを含む。アリール基は場合により1もしくは1以上のRxで置換され得る。本出願では、アリール基は置換アリール基、架橋アリール基および縮合アリール基の可能性を含むことができる。唯一の反復単位Bがコポリマー中にあることが可能であるが、多数の反復単位Bがコポリマー内に存在できることも想定される。
1つの態様では、アリール基は:
Figure 2020528958
およびそれらの組み合わせからなり、ここでR’およびR’’は独立して:H、Cl、F、CN、アルキル、アルコキシ、アルキルチオ、エステル、ケトンおよびアリール基から独立して選択される。別の態様では、アリール基は3,3’ジフルオロ−2,2’−ビチオフェン、ベンゾ[1,2−b:4,5−b’]ジチオフェン、
Figure 2020528958
または
Figure 2020528958
である。
コポリマー
反復単位Aおよび反復単位Bは、合わせるとコポリマーを生じる。コポリマーはレジオ―ランダム(regio−random)またはレジオ―レギュラー(regio−regular)であることができる。コポリマーは太陽光発電材料として使用できると構想される。またコポリマーは電子装置の活性層として使用できると構想される。1つの態様では、反復単位Aおよび反復単位Bの数は、コポリマー中、約3から約10,000の範囲であることができる。
幾つかの態様では、コポリマーは:
Figure 2020528958
または
Figure 2020528958
であることができる。
1つの態様では、反復単位AおよびBは交互である。理論的にポリマー中の反復単位の数は1から10,000または、1から1,000、またはさらに1−100であることができる。
アノード
有機太陽光発電装置として使用する場合、コポリマーはアノードと併せて使用することができる。有機太陽光発電装置用のアノードは、有機太陽光発電装置として作動することができる任意の従来から知られているアノードであることができる。使用できるアノードの例には:酸化インジウムスズ、アルミニウム、炭素、グラファイト、グラフェン、PEDOT:PSS、銅、金属ナノワイヤー、Zn99InOx、Zn98In2x、Zn97In3x、Zn95Mg5x、Zn90Mg10x、およびZn85Mg15xを含む。
カソード
有機太陽光発電装置として使用する場合、コポリマーはカソードと併せて使用することができる。有機太陽光発電装置用のカソードは、有機太陽光発電装置として作動することができる任意の従来から知られているカソードであることができる。使用できるカソードの例には:酸化インジウムスズ、炭素、グラファイト、グラフェン、PEDOT:PSS、銅、銀、金、金属ナノワイヤーを含む。
電子移動層
有機太陽光発電装置として使用する場合、コポリマーは電子移動層に付着させることができる。有機太陽光発電装置用に最適化された市販されている電子移動層を使用することができる。1つの態様では、電子移動層は(AOxyBO(1-y)を含んでなることができる。この態様では、(AOxyおよびBO(1-y)が金属酸化物である。AおよびBは、理想的な電子移動層を達成するために選択される異なる金属であることができる。1つの態様では、Aはアルミニウム、インジウム、亜鉛、スズ、銅、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、タングステン、マグネシウム、インジウム、バナジウム、チタンおよびモリブデンであることができる。
1つの態様では、Bはアルミニウム、インジウム、亜鉛、スズ、銅、ニッケル、コバルト、鉄、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、タングステン、バナジウム、チタンおよびモリブデンであることができる。
(AOxyBO(1-y)の例には:(SnOxyZnO(1-y)、(AlOxyZnO(1-y)、(AlOxyInOz(1-y)、(AlOxySnOz(1-y)、(AlOxyCuOz(1-y)、(AlOxyWOz(1-y)、(InOxyZnO(1-y)、(InOxySnOz(1-y)、(InOxyNiOz(1-y)、(ZnOxyCuOz(1-y)、(ZnOxyNiOz(1-y)、(ZnOxyFeOz(1-y)、(WOxyVOz(1-y)、(WOxyTiOz(1-y)および(WOxyMoOz(1-y)を含む。
代わりの態様では、様々なフラーレンドーパントを(AOxyBO(1-y)と組み合わせて、有機太陽光発電装置用の電子移動層を作成することができる。組み合わせることができるフラーレンドーパントの例には、
Figure 2020528958
および[6,6]−フェニル−C60−ブチリック−N−2−トリメチルアンモニウムエチルエステルヨージドを含む。
Figure 2020528958
の態様では、R’はN、O、S、CまたはBのいずれかから選択することができる。他の態様では、R”はアルキル鎖または置換アルキル鎖であることができる。置換アルキル鎖の置換基の例には、ハロゲン、N、Br、O、Si,またはSを含む。1つの態様では、R”は
Figure 2020528958
から選択することができる。使用することができる他のフラーレンドーパントの他の例には:[6,6]−フェニル−C60−ブチリック−N−(2−アミノエチル)アセトアミド、[6,6]−フェニル−C60−ブチリック−N−トリエチレングリコールエステル、および[6,6]−フェニル−C60−ブチリック−N−2−ジメチルアミノエチルエステルを含む。
有機太陽光発電装置の作製
亜鉛/スズ酸化物(ZTO):フェニル−C60−ブチリック−N−(2−ヒドロキシエチル)アセトアミド(PCBNOH)のゾル−ゲル溶液は、酢酸亜鉛二水和物または酢酸スズ(II)を2−メトキシエタノールおよびエタノールアミンに溶解することにより調製した。具体的には、ZTO:PCBNOHゾル−ゲル電子移動層溶液は、3.98gのZn(OAc)2、398mgのSn(OAc)2 および20.0mgのPCBNOHを、54mLの2−メトキシエタノール中で混合し、996 μLのエタノールアミンを加えることにより調製した。次いで溶液は、2−メトキシエタノールをさらに加えて65%に希釈し、そして少なくとも1時間撹拌した後、インジウムスズ酸化物基材上にスピンキャスティング(spin casting)して電子移動層を形成した。
ポリマーおよび受容体、PC70BMを1:1.2の比でクロロベンゼンに26mg/mLの濃度で溶解し、光活性層溶液を得た。この溶液を撹拌し、そして80℃に一晩、窒素充填グローブボックス中で加熱した。翌日、3.0容量%の1,8−ジヨードオクタン(DIO)を加えた後、光活性層にスピンコーティングした。
インジウムスズ酸化物を形成したガラス基材を、アセトンおよびイソプロパノール中で連続的に超音波処理して清浄化した。各15分の工程を2回繰り返し、そして新しく洗浄した基材を60℃で一晩、乾燥させた。作製を進めながら、基材はさらに1.5分間、UV−オゾン室で清浄化し、そして電子移動層を直ちに上にコートした。
ゾル−ゲル電子移動層溶液は、0.25μmのポリ(ビニリデンフルオリド)フィルターを備えた酸化インジウムスズで直接濾過し、そして4000rpmにて40秒、スピンキャスティングした。次いでフィルムは、250℃で15分間アニールし、そして窒素充填グローブボックスに直接移した。
光活性層は、この溶液を用いて600rpmで40秒のスピンコーティングを介して電子移動層に付着させ、そして基材は110℃で前加熱し、そして一晩の溶媒アニーリングのためにガラス製のペトリ皿に移した。
アニーリング後、基材を真空エバポレーターに乗せ、ここでMoO3(正孔移動層)およびAg(アノード)を順次、熱蒸発により付着させた。付着は<4x10-6トルの圧で生じた。MoO3およびAgはそれぞれ5.0nmおよび120nmの厚さを有した。次いでサンプルはエポキシ結合剤を使用してガラスにカプセル化し、そしてUV光で3分間処理した。
ポリマーの合成
3種の異なる反復単位Bを使用して、3種の異なるポリマーを生成した。
Figure 2020528958
Figure 2020528958
ポリマーは従来のスティルカップリング反応(Stille coupling reaction)から調製した。サンプルA、BおよびCのスタンニル化形(stannylated version)は、
Figure 2020528958
と共重合してポリマーA,BおよびCを生成した。
ポリマーA:シュレンクフラスコ内で、
Figure 2020528958
(61.6mr、0.095ミリモル)、
Figure 2020528958
(85.9mg,0.095ミリモル)、およびPd(PPh34(11mg,0.009ミリモル)を合わせ、次いで30分間脱気した。アルゴンを再充填した後、トルエン(3.8mL)およびDMF(0.95mL)を加え、そして反応混合物は溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を120℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で2日間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトン、ヘキサン、そしてクロロホルムで順次洗浄した。ポリマー
Figure 2020528958
は、クロロホルム画分から回収した(76mg、収率73%)。
ポリマーB:シュレンクフラスコ内で、
Figure 2020528958
(60mg,0.093ミリモル)、
Figure 2020528958
(98.9mg、0.093ミリモル)およびPd(PPh34(11mg,0.009ミリモル)を合わせ、次いで30分間脱気した。アルゴンを再充填した後、トルエン(3.6mL)およびDMF(0.9mL)を加え、そして反応混合物は溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を120℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で2日間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトン、ヘキサン、クロロホルム、そしてクロロベンゼンで順次洗浄した。幾らかのポリマー
Figure 2020528958
をクロロホルム画分から集めたが(26mg、収率22%)、ほとんどのポリマーは抽出されなかった(50mg、収率43%)。
ポリマーC:シュレンクフラスコ内で
Figure 2020528958
(63.9mg,0.099ミリモル)、
Figure 2020528958
(120mg、0.099ミリモル)およびPd2(dba)3(2.3mg,0.003ミリモル)を合わせ、次いで30分間脱気した。アルゴンを再充填した後、クロロベンゼン(1.65mL)を加え、そして反応混合物は溶液を凍結するために液体窒素を使用しながら3回の凍結脱気サイクルを介して脱気した。次いで溶液を120℃に加熱し、そしてアルゴン雰囲気下で2日間撹拌した。反応混合物を室温に冷却し、メタノール(50mL)に注ぎ、そしてポリマーを濾過により集めた。ポリマーはソックレー抽出により精製し、アセトン、ヘキサン、クロロホルム、そしてクロロベンゼンで順次洗浄した。ポリマー
Figure 2020528958
をクロロホルム画分から回収した(101mg、収率73%)。
UV可視吸収分光法
吸収分光法は、300から1000nmの波長範囲で行いそして測定した。ブランクとなるガラススライドのバックグラウンドをすべてのスペクトルから差し引いた。ポリマーの薄いフィルムサンプルは、10mg/mL溶液(50:50のクロロベンゼン:ジクロロベンゼン中の)のポリマーを、1200rpmでガラススライドにスピンキャスティングすることにより調製した。図9はポリマーのUV可視吸収スペクトルを表す。
ソーラーシュミレーターのUV可視吸収分光法
アパーチャーマスク(aperture mask)から測定した0.08306cm2の活性面積を持つ装置を、AM1.5G 100mW/cm2条件下でNewport Thermal Oriel 91192 1000W ソーラーシュミレーター(4”x4”照射サイズ)を用いて試験した。図10はソーラーシュミレーターの結果としてポリマーのUV可視吸収スペクトルを表す。
代表的な電流密度
代表的な電流密度―電圧特性を以下に表1に表す。
Figure 2020528958
Jsc(mA/cm2)短絡電流密度(Jsc)は、ゼロバイヤスで太陽電池から流れ出る電流密度である。Voc(V)開放電圧(Voc)は、外部回路の電流がゼロの電圧である。FF(%)曲線因子(FF)は、開放電圧および短絡電流で割った最大電力点の比である。PCE(%)太陽光発電電池の電力変換効率(PCE)は、使用可能な電気に転換される太陽光発電装置を照らソーラーエネルギーの割合である。Rs(Ωcm2)太陽光発電電池を通る直列抵抗(Rs)。Rsh(Ωcm2)太陽光発電電池を通る並列抵抗。
最後にいかなる参考文献、特に本出願の優先日以後の公開日を有するいかなる参考文献の考察も、本発明に対する先行技術とは認められないことに留意すべきでる。同時に以下の全ての請求の範囲は、本発明の追加の態様としてこの詳細な説明または明細書に引用により編入される。
本明細書に記載したシステムおよび方法は、詳細に記載されてきたが、様々な変化、置換および変更を、以下の特許請求の範囲により定められる本発明の精神および範囲から逸脱せずに行うことができると理解すべきである。当業者は、好適な態様を研究し、そして厳密には本明細書に記載したものではない本発明を実施する他の方法を確認することができるかもしれない。本発明者は本発明の変形および均等物が特許請求の範囲内にあると同時に、説明、要約および図面は本発明の範囲を限定するために使用されるものではないことを意図している。本発明は以下の請求の範囲およびそれらの均等物のようにできる限り広いことを明確に意図するものである。

Claims (13)

  1. 反復単位A、ただし反復単位Aは
    Figure 2020528958
    を含んでなり;および
    少なくとも1つの反復単位B、ただし反復単位Bはアリール基を含んでなる、
    を含んでなるコポリマー。
  2. 前記アリール基が
    Figure 2020528958
    およびそれらの組み合わせからなる群から選択され、R’およびR’’がH、Cl、F、CN、アルキル、アルコキシ、アルキルチオ、エステル、ケトンおよびアリール基からなる群から独立して選択される請求項1に記載のコポリマー。
  3. コポリマーがレジオ―ランダムである請求項1に記載のコポリマー。
  4. コポリマーがレジオ―レギュラーである請求項1に記載のコポリマー。
  5. 前記アリール基が3,3’ジフルオロ−2,2’−ビチオフェンである請求項1に記載のコポリマー。
  6. 前記アリール基がベンゾ[1,2−b:4,5−b’]ジチオフェンである請求項1に記載のコポリマー。
  7. 前記アリール基が
    Figure 2020528958
    である請求項1に記載のコポリマー。
  8. 前記アリール基が
    Figure 2020528958
    である請求項1に記載のコポリマー。
  9. Figure 2020528958
    を生成する方法がシアン化物を含まない請求項1に記載のコポリマー。
  10. Figure 2020528958
    を生成する方法が、2,6−ナフタレンジオールを臭素化して
    Figure 2020528958
    を生成する工程、および
    Figure 2020528958
    の臭素をテトラメチルシランに転換する工程を含んでなる請求項1に記載のコポリマー。
  11. コポリマーが太陽光発電材料として使用される請求項1に記載のコポリマー。
  12. コポリマーが電子装置の活性層として使用される請求項1に記載のコポリマー。
  13. 反復単位AおよびBの数が約3から約10,000の範囲である請求項1に記載のコポリマー。
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