[发明专利]一种基于茚并[2,1-b]咔唑的免掺杂空穴传输材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于茚并[2,1‑b]咔唑的免掺杂空穴传输材料及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用，所述空穴传输材料化学结构式如式Y3或Y4所示，所述制备方法包括如下步骤：使化合物（1）发生还原取代反应生成中间体（2）；使中间体（2）发生取代反应生成中间体（3）；使化合物（9）发生溴代反应生成中间体（10）；使中间体（10）发生烷基化反应生成中间体（11）；使中间体（11）与2‑三丁基甲锡烷基噻吩发生偶联反应生成中间体（12）；使中间体（12）发生溴代反应生成中间体（13）；使中间体（3）与中间体（11）或中间体（13）发生偶联反应生成空穴传输材料Y3或Y4。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，涉及免掺杂型空穴传输材料，具体涉及一种基于茚并[2,1-b]咔唑的免掺杂空穴传输材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球经济社会的不断发展，人类社会对能源的需求量越来越大，而传统的化石能源越来越难以满足经济社会发展的需求。此外，传统化石能源的大量使用会对自然环境造成严重的破坏，加剧温室效应的程度。因此，寻求新型的可再生无污染能源成为了人类社会首先要面对的问题。而太阳能由于其具有可再生无污染的优点，取之不尽用之不竭，不像传统化石能源那样形成周期非常漫长。因此，如何高效低成本地利用太阳能越来越受到人们的关注。

太阳能电池发展历史悠久，种类繁多。其中，钙钛矿太阳能电池由于其制作工艺简单成本低和良好的光电转化效率，具有很广阔的发展前景，使得钙钛矿太阳能电池成为了光伏领域内最热门的研究方向。

空穴传输材料空穴传输材料具有优化界面、调节能级匹配等作用，是构成高效钙钛矿太阳能电池的重要组成部分。理想的空穴传输材料应该具有高的空穴迁移率；最高占有轨道(Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO)能级在-5.1～-5.3 eV；具有高的热力学稳定性、良好地溶解性和成膜性，同时具有疏水性，以便更好地保护钙钛矿层，提高电池的稳定性.

在杂化钙钛矿太阳电池中，目前所使用的空穴传输层材料局限于2，2 '，7，7 '-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9 '-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、聚三芳胺(PTAA)和PEDOT：PSS等。这类无定形的空穴传输层材料的空穴迁移率普遍较低，其中Spiro-OMeTAD和PTAA需要二(三氟甲基磺酰)锂(Li-TFSI)和4-叔丁基吡啶(TBP)作为p型掺杂，这类掺杂分子会对电池器件的稳定性带来不利的影响；而PEDOT：PSS虽然不需要掺杂，但聚电解质具有很强的吸湿性，容易破坏钙钛矿层的结构，另一方面，PEDOT：PSS的酸性会造成对ITO玻璃的腐蚀，同时具有易吸湿性，导致电池器件的稳定性下降。

如何进一步提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和器件稳定性能已成为业界的共同目标，设计与开发新型的免掺杂空穴传输材料是解决上述难题的有效策略，已成为当前钙钛矿太阳能电池领域的研究重心。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于茚并[2,1-b]咔唑的免掺杂空穴传输材料，该空穴传输材料的HOMO和LUMO能级都要明显高于混卤钙钛矿能级（HOMO=-5.6 eV，LUMO=-3.9 eV），从而能够有效确保空穴的高效分离与传输，同时还能能够有效阻挡电子从钙钛矿层跃迁至空穴传输层，抑制界面电子复合的发生。本发明的另一目的在于提供该空穴传输材料的制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用，基于Y3免掺杂的最佳太阳能电池器件的短路光电流密度达19.10 mA cm^-2，开路电压为0.92 V，填充因子0.40，光电转化效率为7.10%；Y4免掺杂最佳太阳能电池器件的短路光电流密度达17.34 mA cm^-2，开路电压为0.95 V，填充因子0.43，光电转化效率高达7.11%。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于茚并[2,1-b]咔唑的免掺杂空穴传输材料，化学结构式如式Y3或Y4所示：

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