[发明专利]以三聚茚为核的六支臂星形材料及其在钙钛矿太阳电池中的应用

说明书

本发明公开了以三聚茚为核的六支臂星形材料，具有式Ⅰ所示结构，R选自H、C1～C50直链烷基或支链烷基；Ar选自苯、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种。本发明的材料是以三聚茚为核的六支臂星形结构，平面性好，空穴迁移率高，能作为空穴传输层应用于有机光电器件，以提高钙钛矿电池器件的光电转换效率，显著提升器件的性能。

技术领域

本发明涉及有机光电技术领域，特别是涉及以三聚茚为核的六支臂星形材料及其在钙钛矿太阳电池中的应用。

背景技术

中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心和科睿唯安(Clarivate Analytics)联合发布的《2016研究前沿》，《2017研究前沿》，《2018研究前沿》，《2019研究前沿》中化学材料类10大热点研究前沿报告来看，钙钛矿太阳电池一直处于化学与材料科学的十大热点，特别地，在2017年，钙钛矿电池中新型有机空穴传输材料排在该年热点前沿的第二位，国内外研究机构对钙钛矿太阳电池的广泛和深入研究让其光电转换效率达到破纪录的25.17％(Science,2020,370,108–112)。在支撑此项纪录的过程中，空穴传输材料起了举足轻重的作用，空穴传输层要求材料的空穴迁移率高，其次需要与钙钛矿材料价带匹配的HOMO能级，再次需要良好的稳定性和成膜性好，从而保证空穴在各个界面的有效注入与传输。

有机空穴传输材料除了改善电极和钙钛矿之间肖特基接触，促使电子和空穴在功能层界面分离，减少电荷复合外，还具有区别于无机空穴传输材料的可大范围选择材料并且能通过灵活设计以调整能级匹配和表面性质，其研究相对更为广泛。应用在钙钛矿领域的有机空穴传输材料以PTAA和Spiro-OMeTAD最为经典，其他材料一般都是这两种材料的变体。Seok课题组以PTAA为有机空穴传输层可以获得认证的22.1％的光电转换效率，并且在1cm²面积的电池仍可获得19.7％的效率(Science,2017,356,1376–1379)。课题组早在2016年，以Spiro-OMeTAD为有机空穴传输层就获得21.02％的认证效率，实验室效率更是高达21.6％，且其重复性高(Nature Energy,2016,1,16142)；2020年，以Spiro-OMeTAD为有机空穴传输层的钙钛矿电池器件，效率超过23％(Science,2020,370,74)。Seok课题组在2020年以Spiro-OMeTAD为有机空穴传输层的钙钛矿电池器件，性能最佳的效率高达25.17％(经认证的效率为24.4％)。未封装的设备在85℃的暗态环境中1300小时后，其初始效率保持超过80％(Science,2020,370,108–112)。

Spiro-OMeTAD虽然研究广泛，但是其本身的空穴迁移率较低，在高效体系中必须要经过掺杂来提升其空穴迁移率和电导率，这就为器件的制备制造麻烦，不利于后续的工业化生产，因此，高迁移率有机空穴传输材料成为研究的重要方向。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供以三聚茚为核的六支臂星形材料，将其作为钙钛矿电池器件中的空穴传输层，可以提高空穴迁移率，以提高钙钛矿电池器件的光电转换效率。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的第一方面，提供一种以三聚茚为核的六支臂星形材料，具有如下结构：

其中，Ar为高空穴迁移率单元；R选自H、C1～C50直链烷基或支链烷基；Ar为苯、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)咔唑及以上所有结构的衍生物的一种以上。

进一步的，共轭单元Ar选自如下结构：

制备上述以三聚茚为核的六支臂星形材料的化学反应流程如下所示：