[发明专利]钛氧簇型化合物及其制备与作为电子传输材料的应用

说明书

本发明属于半导体材料领域，涉及钛氧簇型化合物及其制备与作为电子传输材料的应用，合成了多种钛氧簇型化合物，分子式为CTOC‑X，其中，X为CH₃，H，CF₃或CN。发明的钛氧簇型化合物为本征的有机‑无机杂化分子结构，具有较高的电子迁移率，良好的溶解性、合适的能级以及优异的成膜性能，是一种性能优良的无机半导体材料，其可以使有机太阳能电池器件效率达到17％以上。同时，本发明的钛氧簇型化合物的合成方法简单，结构明确，成本低廉，性能优越。

技术领域

本发明涉及四种钛氧簇型电子传输材料的制备及应用，具体包括一种环状钛氧簇与四种芳香性羧酸的配体交换反应制备的电子传输材料及在有机太阳能电池中的应用，属于半导体材料技术领域。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

光伏发电技术是发展绿色可再生能源的重要途径之一。有机太阳能电池因其质轻、柔性、可溶液加工等特点受到科学界广泛的关注。近年来随着研究的深入，它的能量转换效率已超过18％，实现商业化的曙光已现。有机光伏器件的构成组分包括吸光材料层、界面材料层和金属电极层。作为活性层与电极之间的缓冲层，界面材料对电池高能量转换效率的取得至关重要。其中，位于阴极与吸光层之间的电子传输材料应具有能有效降低阴极功函、良好的电子迁移率和导电性、优异的成膜性和高效的电荷提取能力。目前，使用最多的电子传输材料主要分为无机材料与有机材料两大类。无机类电子传输材料多为n型半导体金属氧化物如氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO₂)、氧化锡(SnO₂)等，这些材料通常需要使用它们的“溶胶-凝胶”溶液经高温热处理成膜；有机类电子传输材料如小分子PDINO()，聚合物电解质PFN-Br()，这些材料已经在实验室研究中取得成功。

作为TiO₂的分子模型，钛氧簇类化合物具有分子结构明确、内核结构多变、表面配体可调、溶液可加工等优势，因此，有潜力作为有机太阳电池的电子传输材料。钛氧簇的后合成修饰主要针对表面配体的反应性，例如，研究人员通过配体交换反应将4-硝基苯基乙酰丙酮修饰于钛氧簇分子外围，有效增强了其在染料敏化太阳能电池中的电子传输能力。最近，一种具有32个Ti元素的环状钛氧簇分子Ti₃₂O₁₆(EG)₃₂(PAc)₁₆(EtO)₁₆被开发出来，但是该团簇分子的溶解性较差，在有机太阳能电池中能级匹配性不好，电子迁移率低，不适合作为电子传输层材料。

发明内容

本发明的目的是，为了实现高性能有机太阳能电池的制备，本发明提出一类钛氧簇型电子传输层材料的制备方法及应用。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种钛氧簇型化合物，分子式为CTOC-X，其中，X为CH₃，H，CF₃或CN。

环状钛氧簇分子Ti₃₂O₁₆(EG)₃₂(PAc)₁₆(EtO)₁₆的外围具有丰富的有机配体，这些配体在过量同类配体或配位作用更强的配体存在时，容易发生特定位点处的配体交换。利用这一性质，可方便调节其半导体性能，从而制备得到高性能电子传输材料，对实现高性能的有机太阳能电池具有重要的研究意义和实用价值。

但研究发现：目前作为电子传输材料的钛氧簇型化合物常常需要连接多个功能基团，才能获得较好的能量转换效率，制备方法较为复杂(需要两步及以上)，限制了其工业化应用。为此，本发明经过系统的理论分析和大量的实验摸索发现：采用苯甲酸及其衍生物作为配体时，只需要一个简单的配体交换反应，就可以获得具有更好的能量转换效率的钛氧簇型化合物，制备方法更为简单、工业化前景好。