[发明专利]一种非富勒烯电子传输材料及其合成方法和用途

说明书

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种非富勒烯电子传输材料及其合成方法和用途，具体为该材料用于反式平面型钙钛矿太阳能电池。所述钙钛矿太阳能电池依次包括透明导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层、缓冲层和金属电极。其中，所述电子传输层采用供体‑受体(D‑A)构型非富勒烯电子传输材料TPA‑3CN或N型掺杂非富勒烯电子传输材料制备而成；该发明提供了一类合成简单、成本低廉，同时具有自然条件稳定、高电子迁移率及高导电性等优点的电子传输材料。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种非富勒烯电子传输材料及其合成方法，及其应用于反式平面钙钛矿太阳能电池中的用途。

背景技术

作为一种新兴的太阳能电池技术，钙钛矿太阳能电池(Perovskit Solar Cells,PSCs)因其具有光电转换性能高效、成本低廉、制备工艺简单等优点，被评为重大科学发现之一，并吸引了众多学者们的普遍关注。经典的钙钛矿太阳能电池采用一种“三明治”结构，即钙钛矿光吸收层被夹在电子传输层(electron transport layer,ETL)和空穴传输层(hole transport layer, HTL)中间。其中，电子传输层的主要作用是在钙钛矿光吸收层/电子传输材料界面将电子有效地抽取并将其传输至电极表面，同时抑制空穴的传输。因此，电子传输层在钙钛矿太阳能电池的电荷传输方面具有至关重要的作用。目前，富勒烯及其衍生物(C60，PC61BM，ICBA 等)由于具有较好的亲电性及电荷传输各向同性，作为电子传输材料被广泛地应用于高效的反式平面型钙钛矿太阳能电池中。(W.Chen,Y.Wu,Y.Yue,J.Liu,W.Zhang,X.Yang,H.Chen, E.Bi,I.Ashraful,M.L.Han,Science,2015,350,6263；D.Zhao,M.Sexton,H.-Y.Park,G. Baure,J.C.Nino,F.So,Adv.Energy Mater.,2015,5,1401855；Y.Wu,X.Yang,W.Chen,Y.Yue, M.Cai,F.Xie,E.Bi,A.Islam,L.Han,NatureEnergy,2016,1,16148；G.Kakavelakis,T. Maksudov,D.Konios,I.Paradisanos,G.Kioseoglou,E.Stratakis,E.Kymakis,Adv.Energy Mater., 2017,7,1602120；Z.Zhou,X.Li,M.Cai,F.Xie,Y.Wu,Z.Lan,X.Yang,Y.Qiang,A.Islam,L. Han,Adv.Energy Mater.,2017,7,1700763.)尽管如此，富勒烯及其衍生物具有很多固有的缺陷，如在空气中较差的光化学稳定性、能带位置相对固定且难以调节、较高的生产成本等，限制了此类电子传输材料在反式平面型钙钛矿太阳能电池的大规模生产中的应用。因此，众多学者致力于开发新型的非富勒烯电子传输材料并试图将其应用于反式平面型钙钛矿太阳能电池中。2016年，Yip等报道了基于芴、噻吩桥基及萘二酰亚胺结构单元的氨基功能化共聚物PFN-2TNDI，并成功地取代PC61BM作为电子传输材料应用于反式钙钛矿太阳能电池中，获得了16.7％的光电转换效率。(C.Sun,Z.Wu,H.-L.Yip,H.Zhang,X.-F.Jiang,Q.Xue,Z.Hu, Z.Hu,Y.Shen,M.Wang,F.Huang,Y.Cao.Adv.Energy Mater.,2016,6,1501534.)。最近，美国华盛顿大学Alex K.-Y.Jen教授课题组开发了一系列新型基于六氮杂三萘撑(HATNA)衍生物的电子传输材料，应用于反式钙钛矿太阳能电池中获得了超过17％的光电转换效率。(D. Zhao,Z.Zhu,M.Y.Kuo,C.C.Chueh,A.K.Jen.Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,8999.)