[發(fā)明專利]以三聚茚為核的六支臂星形材料及其在鈣鈦礦太陽電池中的應用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011238613.0
• 申請日: 2020-11-09
• 公開（公告）號: CN112194573B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設計）人: 林凱文
• 申請（專利權）人: 電子科技大學中山學院
• 主分類號: C07C43/21
• 分類號: C07C43/21;C07C41/30;C07C217/92;C07C213/08;C07D495/22;H10K85/60;H10K30/10
• 代理公司: 濟南譽琨知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 37278
• 代理人: 李照蘭

本發(fā)明公開了以三聚茚為核的六支臂星形材料，具有式Ⅰ所示結構，R選自H、C1～C50直鏈烷基或支鏈烷基；Ar選自苯、苯甲醚、二苯胺、二甲氧基二苯胺、三苯胺、三甲氧基三苯胺、咔唑、3,6?二(二甲氧基二苯胺)咔唑、3,6?二(三甲氧基三苯胺)咔唑或以上化合物的衍生物中的至少一種。本發(fā)明的材料是以三聚茚為核的六支臂星形結構，平面性好，空穴遷移率高，能作為空穴傳輸層應用于有機光電器件，以提高鈣鈦礦電池器件的光電轉換效率，顯著提升器件的性能。

技術領域

本發(fā)明涉及有機光電技術領域，特別是涉及以三聚茚為核的六支臂星形材料及其在鈣鈦礦太陽電池中的應用。

背景技術

中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中國科學院文獻情報中心和科睿唯安(Clarivate?Analytics)聯(lián)合發(fā)布的《2016研究前沿》，《2017研究前沿》，《2018研究前沿》，《2019研究前沿》中化學材料類10大熱點研究前沿報告來看，鈣鈦礦太陽電池一直處于化學與材料科學的十大熱點，特別地，在2017年，鈣鈦礦電池中新型有機空穴傳輸材料排在該年熱點前沿的第二位，國內外研究機構對鈣鈦礦太陽電池的廣泛和深入研究讓其光電轉換效率達到破紀錄的25.17％(Science,2020,370,108–112)。在支撐此項紀錄的過程中，空穴傳輸材料起了舉足輕重的作用，空穴傳輸層要求材料的空穴遷移率高，其次需要與鈣鈦礦材料價帶匹配的HOMO能級，再次需要良好的穩(wěn)定性和成膜性好，從而保證空穴在各個界面的有效注入與傳輸。

有機空穴傳輸材料除了改善電極和鈣鈦礦之間肖特基接觸，促使電子和空穴在功能層界面分離，減少電荷復合外，還具有區(qū)別于無機空穴傳輸材料的可大范圍選擇材料并且能通過靈活設計以調整能級匹配和表面性質，其研究相對更為廣泛。應用在鈣鈦礦領域的有機空穴傳輸材料以PTAA和Spiro-OMeTAD最為經(jīng)典，其他材料一般都是這兩種材料的變體。Seok課題組以PTAA為有機空穴傳輸層可以獲得認證的22.1％的光電轉換效率，并且在1cm²面積的電池仍可獲得19.7％的效率(Science,2017,356,1376–1379)。課題組早在2016年，以Spiro-OMeTAD為有機空穴傳輸層就獲得21.02％的認證效率，實驗室效率更是高達21.6％，且其重復性高(Nature?Energy,2016,1,16142)；2020年，以Spiro-OMeTAD為有機空穴傳輸層的鈣鈦礦電池器件，效率超過23％(Science,2020,370,74)。Seok課題組在2020年以Spiro-OMeTAD為有機空穴傳輸層的鈣鈦礦電池器件，性能最佳的效率高達25.17％(經(jīng)認證的效率為24.4％)。未封裝的設備在85℃的暗態(tài)環(huán)境中1300小時后，其初始效率保持超過80％(Science,2020,370,108–112)。

Spiro-OMeTAD雖然研究廣泛，但是其本身的空穴遷移率較低，在高效體系中必須要經(jīng)過摻雜來提升其空穴遷移率和電導率，這就為器件的制備制造麻煩，不利于后續(xù)的工業(yè)化生產(chǎn)，因此，高遷移率有機空穴傳輸材料成為研究的重要方向。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供以三聚茚為核的六支臂星形材料，將其作為鈣鈦礦電池器件中的空穴傳輸層，可以提高空穴遷移率，以提高鈣鈦礦電池器件的光電轉換效率。

本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明的第一方面，提供一種以三聚茚為核的六支臂星形材料，具有如下結構：

其中，Ar為高空穴遷移率單元；R選自H、C1～C50直鏈烷基或支鏈烷基；Ar為苯、苯甲醚、二苯胺、二甲氧基二苯胺、三苯胺、三甲氧基三苯胺、咔唑、3,6-二(二甲氧基二苯胺)咔唑、3,6-二(三甲氧基三苯胺)咔唑及以上所有結構的衍生物的一種以上。

進一步的，共軛單元Ar選自如下結構：

制備上述以三聚茚為核的六支臂星形材料的化學反應流程如下所示：