[发明专利]一种以苯并三氮唑为核心结构的空穴传输材料的合成方法及应用

说明书

本发明属于有机功能材料技术领域，主要涉及一种以苯并三氮唑为核心结构的空穴传输材料的合成，及其在钙钛矿太阳能电池领域的应用。本发明的空穴传输材料采用D‑A‑D构型，选用苯并三氮唑衍生物为核心结构，两端连接苯衍生物、二苯胺衍生物或三苯胺衍生物。所述空穴传输材料具有可调控的光电化学性质、较好的成膜性、较高的空穴迁移率、较低的制备成本等优点。该发明不仅可以提升钙钛矿太阳能电池的光电转换性能，还可以降低电池制备的成本，有利于钙钛矿太阳能电池的工业化和商品化。

技术领域

本发明属于有机功能材料技术领域，主要涉及一种以苯并三氮唑为核心结构的空穴传输材料的合成方法，及其在钙钛矿太阳能电池领域的应用。

背景技术

钙钛矿太阳能电池由于其具有光电性能优异，制备成本低廉及制备方法简单等特点，被公认为是未来最具发展潜力的新型太阳能电池之一。钙钛矿太阳能电池近年来发展迅速，经过短短10年时间，其光电转化效率从最初的3.8％迅速攀升至24.2％，逐渐逼近其理论极限效率，引起全世界科研工作者的广泛关注。传统的钙钛矿太阳能电池结构是三明治型的叠层结构，主要包括透明导电基底，电子传输层，钙钛矿吸收层，空穴传输层及金属电极。通过优化钙钛矿太阳能电池的各个结构组分及电池器件的制备工艺，可以有效提升钙钛矿太阳能电池的光电性能。其中，空穴传输材料对于电池器件的电荷分离及电荷传输具有至关重要的作用。

目前，已报道的空穴传输材料主要包括有机小分子空穴传输材料，聚合物空穴传输材料及无机物空穴传输材料。其中，最经典的空穴传输材料是2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)(Bi,D.；Yi,C.；Luo,J.；Décoppet,J.-D.；Zhang,F.；Zakeeruddin,S.M.；Li,X.；Hagfeldt,A.；M.,Nat.Energy 2016,1,16142.)，这种材料具有合适的能级及优异的空穴传输性能。但是，Spiro-OMeTAD的合成过程相对比较复杂，产率较低，成本较高。因此，亟需开发合成简单、高效且低成本的空穴传输材料用以替代传统的空穴传输材料Spiro-OMeTAD，推进钙钛矿太阳能电池商业化及市场化。

2015年，Nazeeruddin课题组选用三氮杂化烯基团为核心，设计开发了一种星型结构的空穴传输材料，该材料合成简单，原料廉价，光电转化效率达到17.7％(Rakstys,K.；Abate,A.；Dar,M.I.；Gao,P.；Jankauskas,V.；Jacopin,G.；Kamarauskas,E.；Kazim,S.；Ahmad,S.；M.；Nazeeruddin,M.K.,J.Am.Chem.Soc.2015,137,16172.)；2016年，Hongzheng Chen课题组开发了一种新材料Trux-OMeTAD，其平面性好且具有刚性较强的大共轭分子结构，使其具有较高的空穴迁移率，其光电转化效率可达到18.6％(Huang,C.；Fu,W.；Li,C.Z.；Zhang,Z.；Qiu,W.；Shi,M.；Heremans,P.；Jen,A.K.；Chen,H.,J.Am.Chem.Soc.2016,138,2528.)；2017年，Prashant Sonar课题组以二噻吩乙烯为核心设计合成了空穴传输材料TPA-TVT-TPA，此种材料具有较高的HOMO能级及较好的空穴抽取能力，获得了16.32％光电转化效率(Pham,H.D.；Hu,H.；Feron,K.；Manzhos,S.；Wang,H.；Lam,Y.M.；Sonar,P.,Solar RRL,2017,1,1700105.)。然而与经典的空穴传输材料Spiro-OMeTAD相比，这些空穴传输材料的光电性能仍然相对较低，需要开发更加高效且低成本的空穴传输材料。

发明内容