一種共軛聚合物半導體材料、制備方法及應用的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種共軛聚合物半導體材料的設計、制備方法及應用，屬于有機聚合物半導體材料領域。把含有氧原子的側鏈引入到共軛單體中，得到改性后的單體，在零價鈀為催化劑，鹵代苯為溶劑，加熱回流條件下，通過Stille偶聯的聚合方法，得到一種共軛聚合物半導體材料。將得到的共軛聚合物與富勒烯衍生物共混溶解后，采用溶液旋涂方法，在不需要外界輔助條件如熱退火，溶劑添加劑等，即可得到聚合物/富勒烯衍生物兩相分離的薄膜，調控聚合物的表面能可實現聚合物和PCBM之間不同尺度的相分離，用作體相異質節聚合物太陽能電池中的光敏層材料。
【專利說明】—種共軛聚合物半導體材料、制備方法及應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種共軛聚合物半導體材料的設計、制備方法及應用，屬于有機聚合物半導體材料領域。
【背景技術】
[0002]將清潔的取之不盡的太陽能轉化為電能是一種有效的解決能源危機的路徑，研制高效的太陽能成為一種必要的手段，目前太陽能電池已經發展到第三代，與傳統的無機太陽能電池相比，第三代太陽能電池基于有機材料，采取溶液旋涂打印的方法制作，產品具有輕薄，可卷曲，可制成大面積等優點。經過短短十多年的發展，實驗室制備電池的效率已經達到 10%，(Z.He, C.Zhong, S.Su, M.Xu, H.Wu, Y.Cao, Nat.Photonics 2012，6，593; J.You, L Douj K.Yoshimuraj T.Katoj K.0hyaj T.Moriartyj K.Emery,C.-C.Chen, J.Gaoj G.Li, Y.Yang, Nat.Cowmun.DO1: 10.1038/ncomms2411.)展不出良好的應用前景。
[0003]2000年諾貝爾化學獎得主Alan J.Heeger等(G.Yu, J.Gao, J.C.Hummelen,F.Wudl，A.J.Heeger, Science 1995，270, 1789)首次報道通過溶液旋涂方法制備得到以聚(3-己基)噻吩和富勒烯衍生物(PCBM)為光敏層材料的高效聚合物太陽能電池器件以來，有機聚合物太陽能電池引起了人們的極大關注。Heeger教授等首次提出了體相異質節的核心結構，代替的傳統的面相異質節結構，大幅度的提升了聚合物太陽能電池的轉換效率，這種體相異質節結構大幅度增加了聚合物和富勒烯衍射物的界面接觸，更有利于光生激子分離成電子和空穴，進而加快載流子的傳輸，增加電池的電流。但是由于聚合物和有機小分子富勒烯兩種材料本身的區別，使調控聚合物和PCBM在體異質節中的分散尺度成為一個難題。
[0004]在2005年文獻首 次提出了器件熱退火(W.Ma, C.Y.Yang, X.Gong, K.Lee,
A.J.Heeger, Adv.Fund.Mater.2005, 15, 1617)的方法,通過這種方法可以很好的控制P3HT和PCBM的相分離尺度，進一步的達到完美的兩相分散，電池的轉換效率能提高到5%，由于P3HT材料本身對太陽光吸收的局限性，后期科研人員設計了新型的窄帶隙聚合物，進一步提高聚合物太陽能電池的效率(H.-Y.Chen, J.H.Hou, S.Q.Zhang, Y.Y.Liang, G.ff.Yang, Y.Yang, L.P.Yu, Y.Wu, G.Li, Nat.Photonics 2009, 3, 649;C.Piliego, T.ff.Holcombe, J.D.Douglas, C.H.Woo, P.M.Beaujuge, J.M.J.Frechet, J.Am.Chem.Soc.2010, 132, 7595.)但是上述的熱退火的方式對新型的聚合物太陽能電池鮮有作用，于是在前期的研究中發現，采用高沸點的溶劑添加劑(J.Peet,J.Y.Kim, N.E.Coates, ff.L.Ma, D.Moses, A.J.Heeger, G.C.Bazan, Nat.Mater.2007, 6, 497 ；J.K.Lee, ff.L.Ma, C.J.Brabec, J.S.Moon, J.Y.Kim, K.Lee, G.C.Bazan, A.J.Heeger, J.Am.Chem.Soc.2008, 130, 3619.)同樣可以達到調整相分離的目的，但是高沸點的添加劑會殘留在器件中，嚴重影響器件的穩定性，同時這種含鹵代烴的高沸點添加劑增加了器件的制作工藝又會對環境產生污染，所以后期大面積聚合物太陽能電池的生產需要一種簡易的調整聚合物和PCBM相分離的方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服目前聚合物太陽能電池器件制作后期處理技術存在的不足，提供一種制備工藝簡單、環境友好，并具有合適表面能的聚合物，以有效控制共軛聚合物半導體材料的表面能，與PCBM共混后制作太陽能電池器件可自行達到合適的相分離。
[0006]實現本發明目的的技術方案是提供一種共軛聚合物半導體材料，它的結構式為:
【權利要求】
1.一種共軛聚合物半導體材料，其特征在于它的結構式為:
2.根據權利要求1所述的一種共軛聚合物半導體材料，其特征在于:所述的單環亞芳基包括如下單元中的一種:
3.根據權利要求1所述的一種共軛聚合物半導體材料，其特征在于:所述的雙環亞芳基包括如下單元中的一種:
4.根據權利要求1所述的一種共軛聚合物半導體材料，其特征在于:所述的多環亞芳基包括如下單元中的一種:
5.一種如權利要求1所述的共軛聚合物半導體材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟: Cl)按摩爾比1:1.5~1:2.5，將具有I~30個碳原子的烷基對甲苯磺酸或具有I~30個碳原子的烷氧基對甲苯磺酸，與單體Ar1或Ar2反應，把含有氧原子的側鏈引入到共軛單體中，得到改性后的單體Ar1或Ar2 ； (2)按摩爾比1:1，將改性后的單體Ar1或Ar2，與單體A或單體B在零價鈀為催化劑，鹵代苯為溶劑，加熱回流條件下，通過Stille偶聯的聚合方法，得到一種共軛聚合物半導體材料；所述的單體A為單體Ar1或Ar2,單體B為改性后的單體Ar1或Ar2 ； 所述的單體ArJP八1*2獨立的代表未取代或含有取代基的下述基團中的任意一種:亞乙烯基、亞乙炔基、單環亞芳基、雙環亞芳基、含至少三個環的多環亞芳基、單環雜亞芳基、雙環雜亞芳基和含至少三個環的多環雜亞芳基；所述的雙環亞芳基、多環亞芳基、雙環雜亞芳基、多環雜亞芳基中，環與環之間為稠合或通過單鍵連接。
6.—種如權利要求1所述的共軛聚合物半導體材料的制備方法，其特征在于:所述的具有I~30個碳原子的烷氧基對甲苯磺酸為[2-[2-(2_甲氧基乙氧基)乙氧基]乙氧基]對甲苯磺酸。
7.如權利要求1所述的一種共軛聚合物半導體材料的應用，其特征在于:將共軛聚合物半導體材料與富勒烯衍生物按重量比1:1~1:2共混溶解后，采用溶液旋涂方法得到聚合物/富勒烯衍生物兩相分離的薄膜，用作體相異質節聚合物太陽能電池中的光敏層材料。
【文檔編號】C08G61/12GK103467710SQ201310322612
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】袁建宇, 馬萬里 申請人:蘇州大學