[发明专利]一种带吸电子基的可溶性噻吩共聚物及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种带吸电子基的可溶性噻吩共聚物，其包括如结构式(A)、(B)、(C)所示的聚(单甲醚二乙氧基乙基噻吩羧酸酯/3‑己基噻吩)(P(MECT‑3HT))、聚(单甲醚二乙氧基乙基噻吩羧酸酯/3‑庚氧基噻吩)(P(MECT‑HPOT))和聚(单甲醚二乙氧基乙基噻吩羧酸酯/3‑庚氧基噻吩/3‑己基噻吩)(P(MECT‑HPOT‑3HT))，其分子结构简单，侧基中可引入庚氧基、己基等，具有空穴迁移率高、效率高、电导率高和溶解性好等特点。本发明还公开了所述带吸电子基的可溶性噻吩共聚物的制备方法，以FeCl₃为催化剂，通过一步化学氧化聚合得到。本发明制备方法具有操作简单，原料和催化剂价廉易得，易于分离的特点。本发明还公开了所述带吸电子基的可溶性噻吩共聚物可应用于制备钙钛矿太阳能电池空穴传输材料以及钙钛矿太阳能电池共聚物，可与钙钛矿能级匹配。

技术领域

本发明属于化学及其能源电池材料技术领域，具体涉及一种带吸电子基的可溶性噻吩共聚物及其制备方法和应用。

背景技术

空穴传输材料有很多用途，如电生光器件发光二极管(LED)等、聚合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。经过了第一代硅太阳能电池、第二代的III_B～VIII族化合物及铜铟镓硒(CIGS)等薄膜太阳能电池和第三代有机薄膜、染料敏化太阳能电池的发展后，钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cell，PSC)异军突起，成为研究热点。钙钛矿太阳能电池具有材料合成简单，制备工艺方便，太阳能吸收率高、载流子复合率低等优点。

钙钛矿太阳能电池包括掺氟的氧化锡层(FTO)导电基底、电子传输层、钙钛矿光敏层、空穴传输层和对电极。钙钛矿太阳能电池各组成部分及其组装方法决定空穴传输材料需要具有一定的能级要求和溶解性要求。

电生光器件LED等只要有能级跃迁现象，能级范围无要求。聚合物太阳能电池器件的性能与受体材料的最低未占据分子轨道(LUMO能级)相关，过高的LUMO能级虽然有助于提高器件的开路电压(Voc)，但却大幅度降低了器件的短路电流(Isc)，从而降低了器件的能量转换效率(power conversion efficiency，PCE)。聚合物太阳能电池空穴传输材料可通过在确保与受体材料能级匹配情况下，降低给体材料的最高占据分子轨道(HOMO能级)来提高Voc，从而改善光伏器件的PCE。对于钙钛矿太阳能电池，为了使光生空穴能从钙钛矿层经空穴传输层传输至背电极，空穴传输材料的HOMO能级必须介于钙钛矿层和背电极之间。钙钛矿层材料一般使用甲基铵碘化铅(CH3NH3PbI3)，其HOMO能级为-5.43eV，背电极金(Au)的能级为-5.10eV。所以钙钛矿太阳能电池空穴传输层的HOMO能级应在-5.43～-5.10eV范围内。钙钛矿太阳能电池空穴传输层能级范围要求较窄。所以要根据钙钛矿CH3NH3PbI3和背电极的能级要求设计空穴传输聚合物的分子结构，从而得到符合钙钛矿电池器件中空穴和电子传输要求的噻吩共聚物。

电生光器件LED、聚合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池等的各层组成及器件组装方法决定了各层材料可以耐热及耐二甲亚砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮等强极性溶剂。

钙钛矿太阳能电池通常是采用涂层方法制作而成。先在FTO导电基底上铺上电子传输层(常用材料TiO2)，再涂上钙钛矿层(CH3NH3PbI3)。由于CH3NH3PbI3易溶于二氯甲烷、氯仿、DMSO、DMF等常用溶剂，只在少数溶剂氯苯、二氯苯等中不可溶。而空穴传输材料是采用溶液悬涂在钙钛矿层上的。如果空穴传输材料的溶液溶解钙钛矿材料将使得钙钛矿层遭到破坏，不利于电池组装。因此空穴传输材料通常是溶解在氯苯或二氯苯中再悬涂在钙钛矿层上。然而钙钛矿太阳能电池本身的钙钛矿层不耐热、溶解性太好。这些强极性溶剂溶解钙钛矿，不能组装钙钛矿电池器件。所以需要设计能溶于氯苯及二氯苯的聚合物分子，从而满足组装钙钛矿电池器件的要求。

所以钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料具有特殊的能级要求和溶解性要求。