一种聚合物受体材料及其制备方法与应用

本发明属于有机太阳能器件，具体涉及一种聚合物受体材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、有机太阳电池(organic solar cells，oscs)以有机半导体为光敏活性层，具有质轻、柔性、颜色和透明度可调节及可溶液大面积加工等特点，未来在光伏发电、柔性便携式电子设备及建筑光伏一体化等领域具有极大的应用前景，得益于各种光敏活性层材料(给体及受体材料)的开发、器件结构及制备工艺的发展，oscs的能量转化效率(powerconversion efficiency，pce)和稳定性获得了显著的提高，目前已经到了从研究向商业化应用转变的阶段。

2、oscs的光敏活性层主要由给体材料和受体材料组成，经过近30年的发展，各种给体/受体材料相继被开发出来，oscs的性能也得到显著提升。初期富勒烯衍生物成为受体材料的主流，包括pc61bm和pc71bm，基于富勒烯衍生物受体的oscs得到了广泛的研究，器件效率已经接近12％。然而，富勒烯衍生物受体在可见光及近红外光区的吸收较弱、能级不易调节，一定程度上限制了富勒烯衍生物受体oscs效率的进一步提升。

3、2015年，占肖卫等人首次报道了具有受体单元-稠环给体-受体单元(a-d-a)共轭结构的非富勒烯受体分子itic，拉开了非富勒烯受体oscs研究的序幕。非富勒烯受体具有近红外区强吸收、能级易调节等特点，应用于oscs展示出非常大的潜力，近年来受到了国内外研究者的重点研究。2019年，邹应萍等人将吸电子结构引入非富勒烯受体分子的中间核单元上，报道了具有a-da′d-a结构的y系列明星分子y6。所制备的oscs获得了15.7％的效率。目前，y系列非富勒烯受体成为高效oscs受体材料的研究热点，基于此类受体材料的oscs单层器件的效率已经超过了19％，叠层器件的效率超过了20％。

4、上述高效率的oscs的活性层通常采用共轭聚合物给体和小分子受体，获得了非常突出的pce，但小分子受体容易发生聚集，一定程度上影响了器件的稳定性。全聚合物太阳电池(all-pscs，all polymer solar cells)以聚合物给体及聚合物受体作为活性层，由于给/受体材料均为聚合物，因此具有优异的形貌稳定性和机械稳定性，在柔性大面积有机太阳电池的应用中更具优势，一直以来也受到研究者们广泛关注。然而，由于all-pscs中活性层的形貌调控更为复杂、高性能聚合物受体材料发展较慢、聚合物性能存在批次差异等问题，all-pscs的发展及效率一直以来都落后于基于聚合物给体与小分子受体的太阳电池。近年来，随着各类新型聚合物给体和聚合物受体的出现、器件结构及制备工艺的发展，all-pscs的性能得到快速提升，即将达到非富勒烯小分子受体oscs的水平。

5、近年来，基于有机聚合物材料的太阳能电池因其制备工艺简单(旋涂、喷墨打印等)，且具有面积大、廉价、柔性等优点，而倍受人们的关注。得益于非富勒烯受体分子的快速发展，各种以非富勒烯受体分子为共聚单元的聚合小分子受体(psmas，poly-merizedsmall molecular acceptors)材料被开发出来，极大地促进了全聚合物太阳电池效率的提高。因此开发具有较低homo能级(高开路电压和高稳定性)、窄带隙、宽吸收、迁移率高的给受体太阳能电池材料是材料具有重要的研究价值。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种聚合物受体材料及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明实施例提供了一种聚合物受体材料的制备方法，其包括：

4、使第一化合物与第二化合物在催化剂催化的条件下进行聚合反应，制得聚合物受体材料；

5、其中，所述第一化合物具有如式(i)-(v)中任一者所示的结构：

6、

7、式(i)中x1-x10独立地选自氢、氯、氟或溴，且x5与x9，或x6与x10中至少一组独立地选自溴或碘；

8、

9、式(ii)中x1-x8独立地选自氢、氯、氟或溴，且x2与x7，或x3与x6中至少一组独立地选自溴或碘；

10、

11、式(iii)中x1-x8独立地选自氢、氯、氟或溴，且x2与x7，或x3与x6中至少一组独立地选自溴或碘；

12、

13、式(iv)中x1-x8独立地选自氢、氯、氟或溴，且x2与x7，或x3与x6中至少一组独立地选自溴或碘；

14、

15、式(v)中x1、x2独立地选自溴或碘；

16、其中，r1～r12、y1～y8、z均独立地选自氢原子，氟原子，氯原子，溴原子，碘原子，氰基，c1～c30的烷基，c1～c30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、酯基中的任一种或多种的官能团取代的基团，或者c1～c30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氧原子、氮原子、烷氧基链、烯基、炔基、芳基、羰基、酰胺基、酸酐基、酯基中的任一种或多种的官能团取代的基团；

17、所述第二化合物具有如式(vi)-(xi)中任一者所示的结构：

18、

19、其中，x1-x8独立地选自氢、氯、氟或溴，r1～r8、y1～y7、z均独立地选自氢原子，氟原子，氯原子，溴原子，碘原子，氰基，c1～c30的烷基，c1～c30烷基上一个或者多个碳原子被氧原子、烯基、炔基、芳基、酯基中的任一种或多种的官能团取代的基团，或者c1～c30烷基上一个或者多个氢原子被氟原子、氯原子、溴原子、碘原子、氧原子、氮原子、烷氧基链、烯基、炔基、芳基、羰基、酰胺基、酸酐基、酯基中的任一种或多种的官能团取代的基团；*代表snme3、snbu3、b(oh)2、中的任意一种。

20、本发明实施例还提供了由前述的制备方法制得的聚合物受体材料。

21、本发明实施例还提供了前述的聚合物受体材料在制备有机半导体材料或有机太阳能器件中的应用。

22、本发明实施例还提供了一种有机半导体材料，其至少包括前述的聚合物受体材料。

23、本发明实施例还提供了一种有机太阳能器件，所述有机太阳能器件中的有机活性层至少包括前述的聚合物受体材料或有机半导体材料。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用新型的双受体型设计思路，得到器件的开路电压较高。本研究发现通过改变给受体比例对材料的光伏性能具有重大的影响，特别是类似于巨分子的寡聚物光伏性能由于高分子量的受体；这种寡聚物是混合物比巨分子容易合成与提纯，具有较大的发展潜力。

技术特征：

1.一种聚合物受体材料的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一化合物与第二化合物的摩尔比为n∶(n+1)～(n+1)∶n，其中，n为正整数。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂包括四三苯基膦钯、二氯化二三苯基膦钯、三二亚苄基丙酮二钯、配体三(邻甲基苯基)磷中的任意一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括：

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述封端剂选自下式结构中的任一者：

7.由权利要求1-6中任一项所述的制备方法制得的聚合物受体材料；

8.权利要求6所述的聚合物受体材料在制备有机半导体材料或有机太阳能器件中的应用。

9.一种有机半导体材料，其特征在于至少包括权利要求6所述的聚合物受体材料。

10.一种有机太阳能器件，其特征在于：所述有机太阳能器件中的有机活性层至少包括权利要求6所述的聚合物受体材料或权利要求9所述的有机半导体材料；优选的，所述有机太阳能器件包括有机光伏电池。

技术总结本发明公开了一种聚合物受体材料及其制备方法与应用。所述制备方法包括：使第一化合物与第二化合物在催化剂催化的条件下进行聚合反应，制得聚合物受体材料。本发明中制备的聚合物受体材料具有较低HOMO能级、窄带隙、宽吸收、迁移率高，同时该聚合物受体材料与PM6具有相似的结构，可以增强与PM6的混溶性，改善器件长期稳定性。技术研发人员：李璇,柳听付,王孟,马昌期受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18