含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料及其製備方法和應用的製作方法

2023-09-15 21:14:50 1

含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料及其製備方法和應用的製作方法
【專利摘要】本發明屬於共軛聚合物材料領域，具體涉及一種含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料，其結構式如P所示：式中，R1為C1～C16的烷基，R2，R3為H或C1～C16的烷基，n為5～60之間的整數。該含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料具有良好的載流子遷移率，較低的能隙和更寬的光吸收範圍，並具有優異的溶解性能和加工性能。本發明還提供了該含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料的製備方法以及其在有機太陽能電池器件、有機電致發光器件或有機場效應電晶體器件中的應用。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電材料領域，具體涉及一種含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁 二唑共軛聚合物材料及其製備方法和應用。 含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材 料及其製備方法和應用

【背景技術】
[0002] 有機太陽能電池器件具有無機太陽能電池無法比擬的一些優點，如成本低廉，制 作工藝簡單，產品重量輕，可大面積柔性製備等優點，因而作為一種具有潛力的可再生能源 受到人們的廣泛關注。在過去的十年裡，有機太陽能電池器件的性能有了穩步提高，能量轉 換效率已接近10%。儘管如此，有機太陽能電池器件的光電轉換效率還是比無機太陽能電池 要低很多。因此，要想實現有機太陽能電池器件的商業化，開發新型的有機半導體材料對於 提高有機太陽能電池器件的效率具有重要意義。
[0003] 近年來，由於在共軛聚合物的設計和器件製造工藝上的進步，聚合物太陽能電池 的效率已取得很大提高。聚合物太陽能電池未來面臨的挑戰之一就是合成新型的P-型 共軛聚合物，它需要具備以下特點：（a)良好的溶解性，有利於溶劑加工，實現工業化生產； (b)對整個太陽光光譜有寬而強的吸收；（c)高的載流子遷移率，有利於載流子傳輸。其中 如何拓寬聚合物材料的光吸收範圍，使其光吸收範圍最大程度地覆蓋整個太陽光光譜將是 研究的重點。在半導體聚合物骨架中選擇合適的單體，有利於將聚合物的光吸收範圍拓寬 到紅外、近紅外光區。其中的策略之一是在聚合物骨架中引入富電子的給體單元和缺電子 的受體單元。通過給受體中這種"推-拉電子"的相互作用，降低共軛聚合物的能隙，使其 吸收帶向紅外及近紅外低能波段移動。
[0004] 苯並[1，2-b:4, 5-b' ]二噻吩是一類很有前途的給體單元，其在有機電子等領域 的應用，特別是在有機聚合物太陽能電池方面已得到廣泛研究。目前，吳宏濱等人製得的 基於苯並[1，2-b:4, 5-b' ]二噻吩的聚合物倒置太陽能電池，以9. 2%的能量轉換效率刷 新了聚合物太陽能電池的最高記錄(參考文獻：Nature Photonics, 2012, 190)。由於苯並 [1，2-b:4, 5-b']二噻吩類單體具有很好的對稱性和平面性，因此基於它的聚合物具有良好 的載流子遷移率。而吡咯吲哚並二噻吩類單元是基於苯並[l，2-b:4,5-b' ]二噻吩的衍生 物，是一類強的電子給體材料。吡咯吲哚並二噻吩類單元在保持苯並[l，2-b:4,5-b' ]二 噻吩很好的對稱性和平面性的同時，增加了單體的共軛程度，有利於載流子的遷移。其中， N-烷基化有利於提高單體的溶解性，從而改善了材料的加工性能。
[0005] 二噻吩並[3'，2' ：3,4;2"，3"：5,6]苯並[l，2-c][l，2,5]噁二唑是在苯並 [1，2-b: 6, 5-b']二噻吩-4, 5-二酮的基礎上衍生的，它與苯並[1，2, 5]噁二唑一樣是一種 優良的電子受體單元。


【發明內容】

[0006] 為克服上述現有技術的缺陷，本發明提供了一種含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並 苯並噁二唑共軛聚合物材料。本發明還提供了該含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二 唑共軛聚合物材料的製備方法以及其在有機太陽能電池器件、有機電致發光器件或有機場 效應電晶體器件中的應用。
[0007] 第一方面，一種含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料，結 構式如P所示：
[0008]

【權利要求】
1. 一種含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料，其特徵在於，結 構式如P所示：
式中，Ri為Ci?C16的烷基，R2, R3為Η或Ci?C16的烷基，η為5?60之間的整數。
2. 如權利要求1所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料， 其特徵在於，包括以下共軛聚合物材料中的一種：
3. -種含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料的製備方法，其特 徵在於，包括如下步驟： 製備或提供如下結構式表示的化合物Α和化合物Β :
式中，&為Q?C16的烷基，R2, R3為Η或Q?C16的烷基； 在惰性氣體條件下，將所述化合物A和化合物B按摩爾比為1:1. 1?1:1. 5的比例加 入到含有第一催化劑的有機溶劑中，隨後在60?120°C下進行Stille偶合反應24?72小 時後，分離純化，得到含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料，其結構 式如P所示：
式中，Ri為Q?C16的烷基，R2, R3為Η或Q?C16的烷基，η為5?60之間的整數。
4. 如權利要求3所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料的 製備方法，其特徵在於，所述有機溶劑為四氫呋喃、Ν，Ν-二甲基甲醯胺或甲苯，所述第一催 化劑為三（二亞苄基丙酮）二鈀和三（鄰甲苯基）膦的混合物、二（三苯基膦）二氯化鈀 或四（三苯基膦）鈀；所述第一催化劑的摩爾用量為化合物Α的0. 01%?5%倍。
5. 如權利要求4所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料的 製備方法，其特徵在於，所述三（二亞苄基丙酮）二鈀和三（鄰甲苯基）膦按摩爾比1:2? 1:20混合。
6. 如權利要求3所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料 的製備方法，其特徵在於，所述分離純化步驟包括：反應所得混合液通過減壓蒸除去過量的 甲苯後，經甲醇沉降，抽濾，甲醇洗滌，乾燥，再通過氧化鋁的柱層析，用氯仿淋洗，得到層析 液；蒸除去層析液中的有機溶劑，再經甲醇沉降，抽濾，所得固體用丙酮在索氏提取器中提 取三天，最後經甲醇沉降，抽濾，真空泵抽濾過夜，得到所述含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩 並苯並噁二唑共軛聚合物材料。
7. 如權利要求3所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料的 製備方法，其特徵在於，所述化合物A的製備方法包括： S10、提供如下結構式表示的化合物C和化合物D :
在惰性氣體氛圍中，將化合物C和化合物D按摩爾比1:1. 1?1:1. 5混合，再依次加入 溶劑、氯化物和第二催化劑，室溫下攪拌1?2小時後，再升溫至50?55°C反應3?4小時 後，冷卻至室溫，過濾得到化合物E，其結構式如E所示：
S20、在惰性氣體氛圍中，將所述化合物E和烷基胺按摩爾比1:3?1:4混合，再依 次加入溶劑、叔丁醇鈉、2, 2' -雙（二苯膦基）-1，Γ -聯萘和第三催化劑，攪拌回流進行 Buchwald-Hartwig偶聯反應2?3小時後，冷卻至室溫，然後過濾去除固體，所得濾液經萃 取，飽和食鹽水洗後，再經乾燥，過濾，旋蒸除去溶劑，最後用矽膠柱層析分離提純得到化合 物F，其結構式如F所示：
式中，札為(^?(：16的烷基； S30、將所述化合物F和N-溴代丁二醯亞胺分別用溶劑溶解後形成溶液，將化合物F溶 液冷卻至_78°C，再用恆壓滴液漏鬥向所述冷卻後的化合物F溶液中緩慢滴加 N-溴代丁二 醯亞胺溶液，其中，所述化合物F與所滴加的N-溴代丁二醯亞胺的摩爾比為1:2. 2?1: 3， 攪拌反應〇. 5?1小時後，用水淬滅反應，反應液經萃取，乾燥，最後用矽膠柱層析分離提純 得到化合物A，其結構式如A所示：
式中，札為(^?(：16的烷基。
8. 如權利要求7所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料 的製備方法，其特徵在於，所述S10中，所述溶劑為四氫呋喃、N，N-二甲基甲醯胺或甲苯，所 述氯化物為氯化鋰或氯化亞銅，所述第二催化劑為二（三苯基膦）二氯化鈀或四（三苯基 膦）鈀；所述S20中，所述溶劑為對二甲苯或甲苯，所述第三催化劑為二（三苯基膦）二氯 化鈀、三（二亞苄基丙酮）二鈀或四（三苯基膦）鈀；所述S30中，所述溶劑為四氫呋喃和 N，N二甲基甲醯胺的混合溶液。
9. 如權利要求7所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材料的 製備方法，其特徵在於，所述S10中，所述氯化物與化合物C的摩爾比為1. 5:1?1. 62:1，所 述第二催化劑的摩爾用量為化合物C的0. 01%?5%倍；所述S20中，所述叔丁醇鈉的摩爾 用量為化合物E的5?8倍，所述2, 2' -雙（二苯膦基）-1，Γ -聯萘的摩爾用量為化合物 E的0. 2?0. 3倍，所述第三催化劑的摩爾用量為化合物E的5%?10%倍。
10. 如權利要求1或2所述的含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物 材料的應用，其特徵在於，所述含吡咯吲哚並二噻吩-二噻吩並苯並噁二唑共軛聚合物材 料用於製備太陽能電池、有機電致發光器件或有機場效應電晶體。
【文檔編號】C08G61/12GK104119505SQ201310146893
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月25日 優先權日:2013年4月25日
【發明者】周明傑, 管榕, 李滿園 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司, 深圳市海洋王照明工程有限公司