[发明专利]一类铱配合物有机光伏材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一类铱配合物有机光伏材料及其制备方法与应用；所述制备方法为将Ir(BzBr)₃、噻吩类化合物、催化剂和溶剂的混合溶液反应。本发明所提供的新型有机光伏材料，将其作为给体材料应用于有机太阳能电池中，可获得相比于纯有机主配体为给体的更高器件效率。通过设计这种八面体构型的铱配合物可有效提高基于配合物光伏材料的器件性能，为设计新型的有机光伏材料提供了一种有效策略。

技术领域

本发明涉及有机光伏领域，具体涉及一类铱配合物有机光伏材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着人们对传统化石能源的大量开采和使用，当今世界面临着严重的能源危机和环境污染问题，开发和利用新型的清洁可持续能源是解决这一问题的有效途径。在众多的清洁能源中，太阳能由于其取之不尽用之不竭的优点，作为一种源源不断的清洁可再生能源，备受大家关注，如何有效的将其进行利用也是目前众多领域的研究热点。其中，太阳能电池可以通过光生伏打效应有效地将光能转化为电能从而实现这种绿色能源的有效利用，这符合社会发展的需要，并且具有极大的市场应用前景和长远的意义。相比于传统的无机硅基太阳能电池，有机太阳能电池由于具有质量轻，材料来源广，成本低，结构易修饰且可柔性大面积制备等优点而受到学术界及工业界越来越多的关注。有机太阳能电池的工作原理主要由四个步骤组成，它们协同运作，缺一不可，具体为：1、光照条件下，活性层吸收光子并产生激子；2、产生的激子在给受体界面进行扩散；3、在驱动力的推动下，激子在给受体界面发生分离形成自由电荷；4、形成的电荷进行传输并被电极所收集形成光电流。

从材料角度来看，目前广泛应用的光伏材料大部分都是由稠环的梯形结构，非稠环的类梯形结构或以苯并二噻吩(BDT)为核心单元所构成，在材料合成中往往会面临一些繁琐的合成步骤，产率较低，提纯困难。而且，绝大多数都是基于单线态激子主导的纯有机体系，其相应的激子寿命短(10-100ps)，进而导致激子扩散长度不足，仅有5-10nm，该激子扩散长度明显短于有效光吸收所需的范围，限制了给体/受体的域尺寸和活性层厚度，在一定层面上限制了器件性能的改善。因此在材料设计方面除了考虑吸光能力，还需考虑激子的寿命和扩散长度，从而实现有机太阳能电池光伏效率的提升。重金属铱配合物被广泛应用于磷光有机发光二极管(PHOLED)中，研究表明其可以利用重金属原子铱诱导强的自旋-轨道耦合(SOC)，通过有效地隙间蹿越(ISC)将单线态激子转换成三线态激子。对有机太阳能电池而言，三线态激子比单线态激子具有更长的寿命(高2-3个数量级)和激子扩散长度(10-140nm)，有望于提升激子的解离效率和抑制电荷的复合过程，并且铱配合物具有独特的八面体空间构型，将其作为光伏材料，在一定程度上可以优化共混膜形貌，调节分子堆积，促进电荷的产生和传输，最终在器件效率上实现突破。因此，开发具有新型分子结构的铱配合物并作为给体材料应用于有机太阳能电池中，探究其在有机光伏领域中的应用前景具有十分重要的意义。

2012年，李健等人报道了一种铱配合物给体材料APIr(DOI：10.1021/ic3023453)，以C₆₀作为受体材料制备了一种双层异质结光伏器件，获得了2.8％的器件效率；2014年，甄宏宇等人通过改变主配体设计合成了两个具有红光发射的小分子铱配合物(DOI：10.1039/C4TA01526F)，将其作为给体，富勒烯衍生物PC₇₁BM为电子受体来制备光伏器件，分别获得了1.2％和2％的器件效率；2019年，申请人课题组设计合成了一种新型的具有八面体空间构型、以乙酰丙酮为辅助配体的异配位结构铱配合物TBzIr(DOI：10.1039/c9cc00173e)，以富勒烯衍生物PC₇₁BM为受体材料，PDINO为电子传输层制备光伏器件，其器件效率(PCE)最大可以达到3.81％，远远高于其基于纯有机配体TBz的器件效率(≈0％)；同年，张凤玲课题组通过改变主配体的共轭长度报道了两个同配体型铱配合物Ir(Ftbpa)₃和Ir(FOtbpa)₃(DOI：10.1039/c9tc04914b)来研究其在有机光伏中的电压损失，将其作为给体，富勒烯PC₇₁BM为受体制备了体异质结器件，分别获得了3.17％和3.56％的器件效率。