一种共轭聚合物半导体材料、制备方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种共轭聚合物半导体材料的设计、制备方法及应用，属于有机聚合物半导体材料领域。把含有氧原子的侧链引入到共轭单体中，得到改性后的单体，在零价钯为催化剂，卤代苯为溶剂，加热回流条件下，通过Stille偶联的聚合方法，得到一种共轭聚合物半导体材料。将得到的共轭聚合物与富勒烯衍生物共混溶解后，采用溶液旋涂方法，在不需要外界辅助条件如热退火，溶剂添加剂等，即可得到聚合物/富勒烯衍生物两相分离的薄膜，调控聚合物的表面能可实现聚合物和PCBM之间不同尺度的相分离，用作体相异质节聚合物太阳能电池中的光敏层材料。
【专利说明】—种共轭聚合物半导体材料、制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种共轭聚合物半导体材料的设计、制备方法及应用，属于有机聚合物半导体材料领域。
【背景技术】
[0002]将清洁的取之不尽的太阳能转化为电能是一种有效的解决能源危机的路径，研制高效的太阳能成为一种必要的手段，目前太阳能电池已经发展到第三代，与传统的无机太阳能电池相比，第三代太阳能电池基于有机材料，采取溶液旋涂打印的方法制作，产品具有轻薄，可卷曲，可制成大面积等优点。经过短短十多年的发展，实验室制备电池的效率已经达到 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.)展不出良好的应用前景。
[0003]2000年诺贝尔化学奖得主Alan J.Heeger等(G.Yu, J.Gao, J.C.Hummelen,F.Wudl，A.J.Heeger, Science 1995，270, 1789)首次报道通过溶液旋涂方法制备得到以聚(3-己基)噻吩和富勒烯衍生物(PCBM)为光敏层材料的高效聚合物太阳能电池器件以来，有机聚合物太阳能电池引起了人们的极大关注。Heeger教授等首次提出了体相异质节的核心结构，代替的传统的面相异质节结构，大幅度的提升了聚合物太阳能电池的转换效率，这种体相异质节结构大幅度增加了聚合物和富勒烯衍射物的界面接触，更有利于光生激子分离成电子和空穴，进而加快载流子的传输，增加电池的电流。但是由于聚合物和有机小分子富勒烯两种材料本身的区别，使调控聚合物和PCBM在体异质节中的分散尺度成为一个难题。
[0004]在2005年文献首 次提出了器件热退火(W.Ma, C.Y.Yang, X.Gong, K.Lee,
A.J.Heeger, Adv.Fund.Mater.2005, 15, 1617)的方法,通过这种方法可以很好的控制P3HT和PCBM的相分离尺度，进一步的达到完美的两相分散，电池的转换效率能提高到5%，由于P3HT材料本身对太阳光吸收的局限性，后期科研人员设计了新型的窄带隙聚合物，进一步提高聚合物太阳能电池的效率(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.)但是上述的热退火的方式对新型的聚合物太阳能电池鲜有作用，于是在前期的研究中发现，采用高沸点的溶剂添加剂(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.)同样可以达到调整相分离的目的，但是高沸点的添加剂会残留在器件中，严重影响器件的稳定性，同时这种含卤代烃的高沸点添加剂增加了器件的制作工艺又会对环境产生污染，所以后期大面积聚合物太阳能电池的生产需要一种简易的调整聚合物和PCBM相分离的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服目前聚合物太阳能电池器件制作后期处理技术存在的不足，提供一种制备工艺简单、环境友好，并具有合适表面能的聚合物，以有效控制共轭聚合物半导体材料的表面能，与PCBM共混后制作太阳能电池器件可自行达到合适的相分离。
[0006]实现本发明目的的技术方案是提供一种共轭聚合物半导体材料，它的结构式为:
【权利要求】
1.一种共轭聚合物半导体材料，其特征在于它的结构式为:
2.根据权利要求1所述的一种共轭聚合物半导体材料，其特征在于:所述的单环亚芳基包括如下单元中的一种:
3.根据权利要求1所述的一种共轭聚合物半导体材料，其特征在于:所述的双环亚芳基包括如下单元中的一种:
4.根据权利要求1所述的一种共轭聚合物半导体材料，其特征在于:所述的多环亚芳基包括如下单元中的一种:
5.一种如权利要求1所述的共轭聚合物半导体材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤: Cl)按摩尔比1:1.5~1:2.5，将具有I~30个碳原子的烷基对甲苯磺酸或具有I~30个碳原子的烷氧基对甲苯磺酸，与单体Ar1或Ar2反应，把含有氧原子的侧链引入到共轭单体中，得到改性后的单体Ar1或Ar2 ； (2)按摩尔比1:1，将改性后的单体Ar1或Ar2，与单体A或单体B在零价钯为催化剂，卤代苯为溶剂，加热回流条件下，通过Stille偶联的聚合方法，得到一种共轭聚合物半导体材料；所述的单体A为单体Ar1或Ar2,单体B为改性后的单体Ar1或Ar2 ； 所述的单体ArJP八1*2独立的代表未取代或含有取代基的下述基团中的任意一种:亚乙烯基、亚乙炔基、单环亚芳基、双环亚芳基、含至少三个环的多环亚芳基、单环杂亚芳基、双环杂亚芳基和含至少三个环的多环杂亚芳基；所述的双环亚芳基、多环亚芳基、双环杂亚芳基、多环杂亚芳基中，环与环之间为稠合或通过单键连接。
6.—种如权利要求1所述的共轭聚合物半导体材料的制备方法，其特征在于:所述的具有I~30个碳原子的烷氧基对甲苯磺酸为[2-[2-(2_甲氧基乙氧基)乙氧基]乙氧基]对甲苯磺酸。
7.如权利要求1所述的一种共轭聚合物半导体材料的应用，其特征在于:将共轭聚合物半导体材料与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/富勒烯衍生物两相分离的薄膜，用作体相异质节聚合物太阳能电池中的光敏层材料。
【文档编号】C08G61/12GK103467710SQ201310322612
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年7月29日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】袁建宇, 马万里 申请人:苏州大学