CN102850529B - 4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物 - Google Patents
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Abstract
本发明属功能高分子材料领域,具体涉及一种4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物,其结构通式如I所示。该聚合物使用双溴代的氟代喹喔啉与2,6-双(三甲基锡)-4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩通过Stille偶联反应制备,用于聚合物本体异质结光伏电池的电子给体材料。本发明公开的聚合物在缺电子单元喹喔啉上引入了强的吸电子基团氟原子,可以有效降低材料的HOMO能级,从而提升聚合物光伏电池的开路电压。
Description
技术领域
本发明属于功能高分子领域,具体涉及一种4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物及其用于制备聚合物光伏电池的应用。
背景技术
能源作为社会经济的支柱,近年随着经济的迅速发展,能源的需求日益上升,开发可再生的新能源就变得越来越迫切。作为一种绿色又环保的能源-太阳能,其利用、开发受到了国际社会的普遍关注。聚合物太阳能电池作为一种将太阳能转化为电能的器件,近年来成为国内外研究热点,当前该领域研究的热点在于开发高效的共轭聚合物给体和受体材料来达到较高的光电能量转换效率。
对于聚合物太阳能电池,开路电压是影响器件光电转换效率的重要因素,而作为电子给体材料的聚合物,其HOMO能级决定了器件的开路电压。为了获得良好性能的给体聚合物材料,将富电子单元(D)与缺电子单元(A)交替引入共轭聚合物的主链形成的给-受体(D-A-D)型聚合物成为目前给体聚合物研究的重点。
喹喔啉由于本身含有两个氮原子具有较强的亲核能力,近年作为一种缺电单元备受关注并在聚合物电池领域取得了良好的性能。例如Ergang Wang等合成TQ1与PC71BM共混,光电转换效率达到6.0%,[先进材料Adv.Mater.2010,22(46),5240-5244]。Jianhui Hou等合成的PBDTDTQx-T与PC71BM共混后,效率达到5.0%,[大分子Macromolecules.2012,45(7),3032-3038]。
2009年以来,氟原子因为具有拉电子特性常被引入缺电单元,通过降低给体材料的HOMO能级并进而提升器件的光电转换效率。例如You Wei等合成PBnDT-HTAZ的HOMO能级为-5.29eV,引入氟原子后(PBnDT-FTAZ)的HOMO能级降为-5.36ev,开路电压由0.68V提升到0.76V,[J.Am.Chem.Soc.2011,133(12),4625-4631]。Jianfu Ding等报道了在苯并噻二唑(BT)的4,5位上引入氟原子,然后与BDT衍生物进行共聚获得了聚合物P10,将聚合物的HOMO能从未氟代(P9)的-5.30eV降低到-5.48ev,[Journal of Materials Chemistry.2011,21(9),3226-3233],因此在喹喔啉这种缺电子单元上引入氟原子制备新型的含氟D-A-D型给体聚合物有望获得类似的性能,但是迄今还未见有关此类材料的制备方法及其应用于光伏电池中的报道。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是开发新型的含有氟代喹喔啉的D-A-D型给体聚合物材料,满足聚合物光伏电池光活化层电子给体材料的需要。
为此,本发明提供的4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物,结构通式如Ⅰ所示,
(Ⅰ)式中,
R1为:H原子或F原子;
R2为:间位或对位碳原子数为4到20的直链或支链的烷氧基苯基,或者为碳原子数为4到20的直链或支链的2-烷基噻吩基或2,3-二烷基噻吩基;
优选(一),上述的4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物结构式如(Ⅱ)所示:
优选(二),上述4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物的结构式如(Ⅲ)所示:
优选(三),上述4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物的结构式如(Ⅳ)所示:
优选(四),上述4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物的结构式如(Ⅴ)所示:
优选(五),上述4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物的结构式如(Ⅵ)所示:
优选(六),上述4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物的结构式如(Ⅶ)所示:
本发明要解决的另一个技术问题是上述4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物用于制备聚合物光伏电池的应用,以利用氟原子的拉电子特性,降低聚合物材料的HOMO能级,进而提升光伏电池的开路电压。
本发明公开的4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物的制备按照如Scheme1所示的聚合反应历程进行:
具体的合成步骤如下:
(1)缺电单元含氟喹喔啉及其衍生物的制备
将5或5,6位含氟的4,7-二溴-2,1,3苯并噻二唑溶于无水乙醇中,0℃下分批加入硼氢化钠,然后室温下反应20h,反应结束减压蒸馏除去乙醇,加入适量水,乙酸乙酯萃取,有机相用无水硫酸镁干燥,粗品硅胶柱纯化得到含氟二胺,然后将含氟二胺与1,2-二R2基乙二酮以醋酸为溶剂反应,制得6或6,7位含氟5,8-二溴-2,3-二R2基喹喔啉。
(2)聚合物的制备
该反应在氮气保护下进行,取一定量的缺电单元6或6,7位含氟5,8-二溴-2,3-二-R2基喹喔啉,和等摩尔量的2,6-双(三甲基锡)-4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩,加入到干燥的两口烧瓶中,甲苯溶解,氟代喹喔啉单体浓度控制在0.03mol/L左右,通气0.5h后加入0.02倍摩尔量的催化剂三(二苯亚甲基丙酮)二钯和0.08倍摩尔量的配体三邻甲苯基磷,继续通气0.5h,然后开始加热,回流反应24h后,停止反应,体系冷却至室温,将反应液滴入甲醇中沉降,过滤,收集的聚合物真空烘箱50℃烘12h,依次用甲醇、正己烷、氯仿进行索式提取,浓缩氯仿提取液,用甲醇再次沉降,过滤,得到如式(I)所示的4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物。
与现有技术相比,本发明采用含氟喹喔啉及其衍生物作为缺电单元,结构对称、性能优良的2,6-双(三甲基锡)-4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩作为给电单元,通过给-受体共聚方式合成了单氟代和双氟代4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物。通过循环伏安测试,与未氟代4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及喹喔啉的共轭聚合物(结构式A′、B′和C′,见表1)进行比较,单氟代聚合物的HOMO能级较未氟代的低0.02~0.2eV,双氟代聚合物HOMO能级较未氟代的低0.05-0.3eV。上述氟代材料与PCBM共混应用于本体异质结聚合物太阳能电池光活性层中,器件的开路电压在0.6~1.0V。
附图说明
以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是聚合物C’的C-V图;
图2是聚合物E的C-V图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面分别对该聚合物合成和性能进行详细阐述,所举之例并不限制本发明的保护范围。
实施例1:聚合物A
步骤一,制备6-氟-5,8-二溴-2,3-二(3-辛氧基苯基)喹喔啉
合成路线如下:
(1)4-氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺的制备
5-氟-4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑(5g,0.016mol)溶于150ml无水乙醇中,0℃下分批加入NaBH4(11.1g,0.29mol),然后室温下反应20h;反应结束后,减压蒸馏除去乙醇,加入160ml水,乙酸乙酯萃取,饱和食盐水洗涤有机相,最后无水MgSO4干燥;浓缩去除有机溶剂后得到的粗产品用洗脱剂正己烷/乙酸乙酯(正己烷与乙酸乙酯的体积比为25:1)硅胶柱层析,得到4-氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺3.5g,产率78%。
(2)1,2-二(3-辛氧基苯基)乙二酮的制备
向CuBr(4.33g,30.2mmol)的THF溶液(40ml)中加入LiBr(5.25g,60.4mmol),室温下搅拌溶解,冰浴下温度降至0℃,开始滴加新制的间溴苯辛醚的格氏试剂[间溴苯辛醚(8.6g,30.2mmol),Mg(1g,41.7mmol),THF(30ml)],反应20min后,0℃下开始滴加草酰氯(1.71g,13.5mmol),滴加完毕,继续反应30min后向体系内加入饱和NH4Cl溶液淬灭反应,乙酸乙酯萃取,饱和食盐水洗涤有机相,无水MgSO4干燥,浓缩去除有机溶剂后得到的粗产品用洗脱剂正己烷/乙酸乙酯(正己烷与乙酸乙酯的体积比为200:1)硅胶柱纯化,得到1,2-二(3-辛氧基苯基)乙二酮3.46g,产率55%。
(3)6-氟-5,8-二溴-2,3-二(3-辛氧基苯基)喹喔啉的制备
4-氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺(0.59g,1.9mmol)和1,2-二(3-辛氧基苯基)乙二酮(0.88g,1.9mmol)溶于40mlHAc中,升温至60℃,关闭加热,室温下反应2h;抽滤,乙醇洗涤滤饼,得6-氟-5,8-二溴-2,3-二(3-辛氧基苯基)喹喔啉1.31g,产率97%;
1H NMR(500MHz,CDCl3,ppm):δ=7.97(d,1H),7.27(m,4H),7.21(t,2H),6.98(m,2H),3.9(t,4H)1.76(m,4H),1.45(dd,4H),1.34(m,16H),0.93(t,6H);
步骤二,制备2,6-双(三甲基锡)-4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩
合成路线如下:
(1)4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩
氮气保护下,5-异辛基噻吩(7.25g,37mmol)溶于干燥的THF(30ml),体系冷却至0℃时,开始滴加n-BuLi(2.2M,41.2mmol),滴加完毕,升温至50℃反应2h,快速加入苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩-4,8-二酮(2.69g,12.5mmol),该温度下反应1h,随后加入SnCl2·H2O(22.6g,99.8mmol)和稀盐酸(2M,30ml)的混合液,继续反应1.5h后,反应物倒入冰水中,石油醚萃取,有机相用无水MgSO4干燥;粗产品硅胶柱层析,用正己烷洗脱,得4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩4.35g,产率60%。
(2)制备2,6-双(三甲基锡)-4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩
整个反应在氮气保护下进行,4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩(7.9g,13.6mmol)溶解于200mlTHF中,降温至-80℃,开始滴加丁基锂(36.3mmol,2.2M),滴加完毕,-80℃下反应1h,自然升至室温继续反应1h,再次降温至-80℃,一次性加入三甲基氯化锡(8g,40.4mmol)和30mlTHF的混合液,撤去冷浴,室温反应10~12h;反应液倒入200ml水中,正己烷萃取,饱和食盐水洗涤有机相,无水MgSO4干燥;粗品用无水乙醇重结晶,得到2,6-双(三甲基锡)-4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩(8.0g,8.84mmol),产率65%;1HNMR(500MHz,CDCl3,ppm):δ=7.72(s,2H),7.31(d,2H),6.85(d,2H),2.88(d,4H),1.75(m,2H),1.57-1.24(br,16H),0.88(m,12H),0.41(s,18H)
步骤三,制备聚合物A
合成路线如下:
反应在氮气保护下进行,6-氟-5,8-二溴-2,3-二(3-辛氧基苯基)喹喔啉(214.2mg,0.3mmol)和2,6-双(三甲基锡)-4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩(271.4mg,0.3mmol)溶于10ml甲苯中,通氮气0.5h,加入催化剂三(二苯亚甲基丙酮)二钯(5.5mg)和配体三邻甲苯基磷(9.8mg),通气0.5h后开始加热,回流反应24h,体系在室温下自然冷却,逐滴加至甲醇中沉降,过滤,得到的聚合物依次用甲醇、正己烷、氯仿索式提取,浓缩氯仿提取液,再次滴至甲醇中沉降,得到聚合物A278mg,为紫黑色纤维状固体,产率82%,数均分子量34189,分子量分布2.11。
电化学测试:用CHI660D型电化学工作站,采用玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/Ag+电极为参比电极,Bu4N·PF6作电解质,在乙腈溶剂中,经循环伏安法测定聚合物A薄膜的HOMO能为-5.28eV,比未氟代的材料A′的-5.24eV,低0.04eV,见表1。
光伏性能研究:采用ITO/PEDOT:PSS/聚合物:PC61BM/LiF/Al的三明治电池结构,将聚合物A与受体材料PC61BM按照一定的重量比制成光伏电池,有效面积0.0314cm2,在Newport Thermal Oriel69911模拟太阳光源下进行电流-电压测试,利用Keithley2611源表采集,开路电压为0.78V,光电转换效率为3.25%。实施例2:聚合物B
合成路线如下:
该实施例1以6,7-二氟-5,8-二溴-2,3-二(3-辛氧基苯基)喹喔啉为缺电单元,采用实施例1步骤三中的方法制备聚合物B,产率84%,数均分子量2584,分子量分布2.03。
其中,6,7-二氟-5,8-二溴-2,3-二(3-辛氧基苯基)喹喔啉的制备过程与实施例1步骤一中所用原料不同的是,用4,5-二氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺代替4-氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺,制得的6,7-二氟-5,8-二溴-2,3-二(3-辛氧基苯)喹喔啉的核磁表征数据:1H NMR(CDCl3,500MHz,ppm),δ=7.32(m,4H),7.24(t,2H),6.98(m,2H),3.95(t,4H)1.76(m,4H),1.45(dd,4H),1.34(m,16H),0.93(t,6H);
电化学测试:用CHI660D型电化学工作站,采用玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/Ag+电极为参比电极,Bu4N·PF6作电解质,在乙腈溶剂中,经循环伏安法测定聚合物B薄膜的HOMO能为-5.32eV,比未氟代的材料A′的-5.24eV,低0.08eV,见表1。
光伏性能研究:采用ITO/PEDOT:PSS/聚合物:PC61BM/LiF/Al的三明治电池结构,将聚合物B与受体材料PC61BM按照一定的重量比制成光伏电池,有效面积0.0314cm2,在Newport Thermal Oriel69911模拟太阳光源下进行电流-电压测试,利用Keithley2611源表采集,开路电压为0.83V,光电转换效率为3.49%。实施例3:聚合物C
合成路线如下:
该实施例以6-氟-5,8-二溴-2,3-二(4-辛氧基苯基)喹喔啉为缺电单元,采用实施例1步骤三中的方法制备聚合物C,产率79%,数均分子量28742,分子量分布1.91。
电化学测试:用CHI660D型电化学工作站,采用玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/Ag+电极为参比电极,Bu4N·PF6作电解质,在乙腈溶剂中,经循环伏安法测定聚合物C薄膜的HOMO能为-5.22eV,比未氟代材料B′的-5.17eV,低0.05eV,见表1。
光伏性能研究:采用ITO/PEDOT:PSS/聚合物:PC61BM/LiF/Al的三明治电池结构,将聚合物C与受体材料PC61BM按照一定的重量比制成光伏电池,有效面积0.0314cm2,在Newport Thermal Oriel69911模拟太阳光源下进行电流-电压测试,利用Keithley2611源表采集,开路电压为0.80V,光电转换效率为2.92%。
实施例4:聚合物D
合成路线如下:
该实施例以6,7-二氟-5,8-二溴-2,3-二(4-辛氧基苯基)喹喔啉为缺电单元,采用实施例1步骤三中的方法制备聚合物D,产率77.6%,数均分子量30112,分子量分布1.84。
电化学测试:用CHI660D型电化学工作站,采用玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/Ag+电极为参比电极,Bu4N·PF6作电解质,在乙腈溶剂中,经循环伏安法测定聚合物D薄膜的HOMO能为-5.26eV,比未氟代材料B′的-5.17eV,低0.09eV,见表1。
光伏性能研究:采用ITO/PEDOT:PSS/聚合物:PC61BM/LiF/Al的三明治电池结构,将聚合物D与受体材料PC61BM按照一定的重量比制成光伏电池,有效面积0.0314cm2,在Newport Thermal Oriel69911模拟太阳光源下进行电流-电压测试,利用Keithley2611源表采集,开路电压为0.82V,光电转换效率为3.41%。
实施例5:聚合物E
合成路线如下:
该实施例以6-氟-5,8-二溴-2,3-二(5-辛基噻吩)喹喔啉为缺电单元,采用实施例1步骤三中的聚合方法制备聚合物E,产率76.4%,数均分子量35262,分子量分布2.08。
其中6-氟-5,8-二溴-2,3-二(5-辛基噻吩)喹喔啉的制备方法为:1,2-二(5-辛基噻吩)乙二酮(3g,6.7mmol)和4-氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺(2.28g,8.04mmol)加入到两口烧瓶中,醋酸(150ml)溶解,40℃下反应15h,自然冷却,抽滤,滤饼用乙醇重结晶,得到6-氟-5,8-二溴-2,3-二(5-辛基噻吩)喹喔啉3.31g,产率71%,核磁表征数据:1H NMR(CDCl3,500MHz,ppm),δ=7.81(d,1H),7.45(dd,2H),6.78(d,2H),2.93(t,4H),1.78(m,4H),1.46(dd,4H),1.35-1.30(m,16H),0.92(t,6H)。
电化学测试:用CHI660D型电化学工作站,采用玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/Ag+电极为参比电极,Bu4N·PF6作电解质,在乙腈溶剂中,经循环伏安法测定聚合物E的起始氧化电位为0.54V(见图2),聚合物C’的起始氧化电位为0.48V(见图1),根据HOMO能计算公式-(4.72+起始氧化电位/V)eV,得到聚合物E的HOMO能为-5.26eV,比未氟代材料C′的-5.20eV,低0.06eV,见表1。
光伏性能研究:采用ITO/PEDOT:PSS/聚合物:PC61BM/LiF/Al的三明治电池结构,将聚合物E与受体材料PC61BM按照一定的重量比制成光伏电池,有效面积0.0314cm2,在Newport Thermal Oriel69911模拟太阳光源下进行电流-电压测试,利用Keithley2611源表采集,开路电压为0.85V,光电转换效率为4.12%。
实施例6:聚合物F
合成路线如下:
该实施例以6,7-二氟-5,8-二溴-2,3-二(5-辛基噻吩)喹喔啉为缺电单元,采用实施例1步骤三中的聚合方法制备聚合物F,产率78.1%,数均分子量24784,分子量分布2.33。
采用实施例1步骤一中的方法和实施例5中记载的制备6-氟-5,8-二溴-2,3-二(5-辛基噻吩)喹喔啉的方法合成6,7-二氟-5,8-二溴-2,3-二(5-辛基噻吩)喹喔啉,不同在于用4,5-二氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺代替4-氟-3,6-二溴-1,2-苯二胺,制得的6,7-二氟-5,8-二溴-2,3-二(5-辛基噻吩)喹喔啉的核磁表征数据:1H NMR(CDCl3,500MHz,ppm),δ=7.49(dd,2H),6.81(d,2H),2.95(t,4H),1.78(m,4H),
1.47(dd,4H),1.35-1.30(m,16H),0.94(t,6H)。
电化学测试:用CHI660D型电化学工作站,采用玻碳电极为工作电极,铂丝电极为对电极,Ag/Ag+电极为参比电极,Bu4N·PF6作电解质,在乙腈溶剂中,经循环伏安法测定聚合物F薄膜的HOMO能为-5.28eV,比未氟代材料C′的-5.20eV低0.08eV,见表1。
光伏性能:采用ITO/PEDOT:PSS/聚合物:PC61BM/LiF/Al的三明治电池结构,将聚合物F与受体材料PC61BM按照一定的重量比制成光伏电池,有效面积0.0314cm2,在Newport Thermal Oriel69911模拟太阳光源下进行电流-电压测试,利用Keithley2611源表采集,开路电压为0.88V,光电转换效率4.87%。
表1聚合物的HOMO能级
Claims (8)
7.如权利要求1所述的4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物,其特征在于,该聚合物的结构式如(Ⅶ)所示:
8.如权利要求1至7任一权利要求所述的4,8-二(5-异辛基噻吩)苯基[1,2-b:4,5-b’]联噻吩及氟代喹喔啉的共轭聚合物用于制备聚合物光伏电池的应用。
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