一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料、制備方法及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)、制備方法及應(yīng)用，屬于有機(jī)聚合物半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。把含有氧原子的側(cè)鏈引入到共軛單體中，得到改性后的單體，在零價(jià)鈀為催化劑，鹵代苯為溶劑，加熱回流條件下，通過Stille偶聯(lián)的聚合方法，得到一種共軛聚合物半導(dǎo)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(diào)控聚合物的表面能可實(shí)現(xiàn)聚合物和PCBM之間不同尺度的相分離，用作體相異質(zhì)節(jié)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(dǎo)體材料、制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)、制備方法及應(yīng)用，屬于有機(jī)聚合物半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]將清潔的取之不盡的太陽能轉(zhuǎn)化為電能是一種有效的解決能源危機(jī)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(jīng)發(fā)展到第三代，與傳統(tǒng)的無機(jī)太陽能電池相比，第三代太陽能電池基于有機(jī)材料，采取溶液旋涂打印的方法制作，產(chǎn)品具有輕薄，可卷曲，可制成大面積等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過短短十多年的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室制備電池的效率已經(jīng)達(dá)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(yīng)用前景。
[0003]2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(bào)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(jī)聚合物太陽能電池引起了人們的極大關(guān)注。Heeger教授等首次提出了體相異質(zhì)節(jié)的核心結(jié)構(gòu)，代替的傳統(tǒng)的面相異質(zhì)節(jié)結(jié)構(gòu)，大幅度的提升了聚合物太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，這種體相異質(zhì)節(jié)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jī)小分子富勒烯兩種材料本身的區(qū)別，使調(diào)控聚合物和PCBM在體異質(zhì)節(jié)中的分散尺度成為一個(gè)難題。
[0004]在2005年文獻(xiàn)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(jìn)一步的達(dá)到完美的兩相分散，電池的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)了新型的窄帶隙聚合物，進(jìn)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(fā)現(xiàn)，采用高沸點(diǎn)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(dá)到調(diào)整相分離的目的，但是高沸點(diǎn)的添加劑會殘留在器件中，嚴(yán)重影響器件的穩(wěn)定性，同時(shí)這種含鹵代烴的高沸點(diǎn)添加劑增加了器件的制作工藝又會對環(huán)境產(chǎn)生污染，所以后期大面積聚合物太陽能電池的生產(chǎn)需要一種簡易的調(diào)整聚合物和PCBM相分離的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)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(shù)存在的不足，提供一種制備工藝簡單、環(huán)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(dǎo)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(dá)到合適的相分離。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料，它的結(jié)構(gòu)式為:
【權(quán)利要求】
1.一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料，其特征在于它的結(jié)構(gòu)式為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料，其特征在于:所述的單環(huán)亞芳基包括如下單元中的一種:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料，其特征在于:所述的雙環(huán)亞芳基包括如下單元中的一種:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料，其特征在于:所述的多環(huán)亞芳基包括如下單元中的一種:
5.一種如權(quán)利要求1所述的共軛聚合物半導(dǎo)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(gè)碳原子的烷基對甲苯磺酸或具有I~30個(gè)碳原子的烷氧基對甲苯磺酸，與單體Ar1或Ar2反應(yīng)，把含有氧原子的側(cè)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(jià)鈀為催化劑，鹵代苯為溶劑，加熱回流條件下，通過Stille偶聯(lián)的聚合方法，得到一種共軛聚合物半導(dǎo)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(dú)立的代表未取代或含有取代基的下述基團(tuán)中的任意一種:亞乙烯基、亞乙炔基、單環(huán)亞芳基、雙環(huán)亞芳基、含至少三個(gè)環(huán)的多環(huán)亞芳基、單環(huán)雜亞芳基、雙環(huán)雜亞芳基和含至少三個(gè)環(huán)的多環(huán)雜亞芳基；所述的雙環(huán)亞芳基、多環(huán)亞芳基、雙環(huán)雜亞芳基、多環(huán)雜亞芳基中，環(huán)與環(huán)之間為稠合或通過單鍵連接。
6.—種如權(quán)利要求1所述的共軛聚合物半導(dǎo)體材料的制備方法，其特征在于:所述的具有I~30個(gè)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(quán)利要求1所述的一種共軛聚合物半導(dǎo)體材料的應(yīng)用，其特征在于:將共軛聚合物半導(dǎo)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(zhì)節(jié)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(yōu)先權(quán)日:2013年7月29日
【發(fā)明者】袁建宇, 馬萬里 申請人:蘇州大學(xué)