半全氟烷基修饰可溶液加工的共轭聚合物的设计、合成及应用

Perfluoroalkyl groups exhibit excellent chemical stability and high hydrophobicity. Perfluoroalkylated compounds or polymers favor ordered molecular packing, which is favorable for the carrier mobility. Perfluoroalkylated small molecule semiconductors show high mobility and stability in organic field-effect transistors (OFET). However, they with poor solubility are unsuitable for solution process. It is found suitable semi-perfluoroalkyl group could increase the solubility of PDI seriously in our previous work, and corresponding semi-perfluoroalkylated conjugated polymers with high solubility, high molecular weight, and high mobility (SCLC, 8.40 x 10-3 cm2V-1s-1) have been obtained. Herein, different semi-perfluoroalkyl groups will be introduced to excellent semiconductor building blocks NDI, PDI, diketopyrrolopyrrole (DPP), and isoindigo (IID). A series of soluble conjugated NDI, PDI, DPP, and IID polymers with semi-perfluoroalkyl groups will be obtained. Semi-perfluoroalkyl groups in the polymers will affect their solubility, assembly, stacking style, energy levels, carrier mobility, and solar cell or transistor performance. Some excellent semiconductor polymers are expected to be developed.

全氟烷基具有稳定性高、憎水、憎油、抗氧化能力强的优点，含全氟烷基的小分子或聚合物易于形成有序的分子堆积，利于载流子的传输。全氟烷基直接修饰的小分子半导体具有载流子迁移率高、稳定性强的优势，然而它们的溶解性差、成膜性差、不适合低成本的溶液加工。申请人在前期工作中发现，在苝酰亚胺上引入合适的半全氟烷基能显著增加它在有机溶剂中的溶解性，得到可溶液加工、高分子量、高迁移率（SCLC，8.40 x 10-3 cm2V-1s-1）的半导体聚合物。本项目拟在优秀半导体单元萘酰亚胺、苝酰亚胺、吡咯并吡咯二酮和异靛蓝的N端分别引入不同类型和大小的半全氟烷基，构建可溶的共轭聚合物。拟研究清楚半全氟烷基对半导体聚合物的溶解性、结晶性、聚集态结构、能级、稳定性、载流子迁移率、太阳能电池和场效应晶体管器件性能的影响。筛选出若干可溶液加工、成膜性能好、稳定性强、载流子迁移率高的优秀半导体聚合物。

有机电致发光材料已经在显示领域被广泛应用，然而有机光伏应用还处于实验室研究阶段，高性能材料的缺乏是主要原因之一。基于此，本研究设计合成了几类新颖的光电材料，研究了他们的基本性质和光伏应用。主要工作概括为3个方面：1）半全氟烷基取代苝酰亚胺、三维共轭苝酰亚胺、梯形共轭苝酰亚胺类电子传输材料的设计、合成及光伏应用，包括半全氟烷基取代苝酰亚胺类聚合物及其在薄膜太阳能电池中的应用，半全氟烷基取代苝酰亚胺类小分子及其在钙钛矿太阳能电池中的应用；2）在酞菁类半导体的共轭母体上引入多个酰亚胺基团，得到三维共轭的亚酞菁三酰亚胺、三维共轭的亚萘酞菁三酰亚胺、平面共轭的酞菁四酰亚胺、平面共轭的萘酞菁4类新型受体材料，将它们从给体材料转变成稀缺的受体材料，并可以通过酰亚胺上的烷基调节分子的结晶性和溶解性，研究了它们的基本性质和光伏应用；3）用二氰基苯并三氮唑为受体（A）单元构建了两种具有低HOMO能级的无卤素给体聚合物PCN1（之字型共轭骨架）和PCN2（直线型共轭骨架）。并设计合成了三种基于二氰基苯并三氮唑无卤素三元给体聚合物（PCNx，x = 3，4，5），研究了它们的光电性质和光伏应用。通过以上工作，得到新型半导体目标分子60多个，发表SCI研究论文19篇，有效推动了半全氟烷基苝酰亚胺类、酞菁类、二氰基苯并三氮唑类有机光电材料的发展。