[发明专利]基于螺[芴-9,9`-氧杂蒽]的有机小分子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螺[芴‑9,9'‑氧杂蒽]的有机小分子空穴传输材料及其制备方法和应用，该有机小分子空穴传输材料以螺[芴‑9,9'‑氧杂蒽]为核，具有良好的无定形态和优异的溶解性能；侧链加以不同个数的噻吩基团，通过其高电子密度、优异的载流子传输能力、可控的光学及电化学性质等特点，赋予材料更加优秀的物理及光电性能；末端烷基链的修饰增加其溶解性，有利于材料的成膜性，更易于加工；同时通过简单的合成路线合成，并且原料易得，成本低廉；该有机小分子空穴传输材料应用于全无机钙钛矿太阳能电池，其电池效率相较于原始的电池效率为更高，说明其对提高全无机钙钛矿太阳能电池效率具有实际意义。

技术领域

本发明涉及太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种基于螺[芴-9,9’-氧杂蒽]的有机小分子空穴传输材料及其制备方法和应用。

背景技术

自日本桐荫横滨大学Tsutomu Miyasaka教授在2009年首次报道钙钛矿太阳能电池以来，经过材料的改进和器件结构的优化，钙钛矿太阳能电池的研究取得了重大突破，是目前最接近商业化的第三代太阳能电池。在钙钛矿太阳能电池结构中，空穴传输材料至关重要，是影响电池性能的关键因素之一。其中小分子HTMS由于其在电荷载流子输运和电荷复合迟缓中的关键作用而被广泛应用于高效钙钛矿型太阳能电池中。到目前为止，非晶态有机螺旋体Spiro-OMeTAD是钙钛矿型太阳能电池的最佳选择，材料的螺环中心单元和大体积的二苯胺取代单元赋予了Spiro-OMeTAD特有的正十字交叉结构，这一结构特点减弱了分子间的堆积，提高了材料的溶解性和成膜性。然而，其结晶度差、环境降解、多重合成方法、成本高、电荷积累强等缺点仍然限制了其应用。

出于上述原因，一些替代品被广泛应用，比如螺环类衍生物、三苯胺、桥联三苯胺、3,4-乙烯二氧噻吩、线性π共轭体系、三蝶烯、四苯基乙烯和三嗪等，然后都适当地装饰了二芳胺、三芳胺或噻吩侧基，从而实现高效率、低成本、高稳定性的钙钛矿太阳能电池。我们知道，要提高器件的热稳定性，通常会使用具有较高熔点和玻璃化转变温度的材料，因此本发明采用的仍然是螺芴类材料，因为其具有特殊的刚性结构，其合成的一系列衍生物都具有较高熔点和玻璃化转变温度，而且能抑制分子的结晶，具有良好的成膜性，能够提高分子的热力学稳定性。在螺芴材料中，9,9’-氧杂蒽螺芴通过中心sp3杂化的C原子连接芴和氧杂蒽两部分，并且在不同的位置可以用不同有机基团进行修饰改性，这样的分子结构具有富含电子的氧杂蒽环和芴的组合可以促进空穴传输能力、螺环在分子电子与固态电子领域中能有效构筑非平面的三维分子构象。空间位阻效应能有效地抑制分子间的π－π堆积相互作用，从而提高材料的稳定性并延长器件寿命、通过在不同位置引入电子给体与电子受体基团，可以有效改变分子的最高占据轨道(HOMO)、最低未占据轨道(LUMO)、轨道分布以及光学带隙。可以提高分子量，有助于材料热稳定的提升等优势。同时加以高电子密度、良好空穴迁移率的寡聚噻吩和较好溶解度的烷基链作为侧链，使其光学和电化学性能很容易被调控。此外，这类材料的合成较之Spiro-OMeTAD更为简单，造价更低，稳定性更高，使其具有成为优秀空穴传输材料的潜力。

发明内容

针对现有技术中全无机钙钛矿光电转换效率较低的问题，本发明的目的在于提供一种具有螺环结构和良好疏水性和有机溶解性的低聚噻吩衍生物类有机小分子空穴传输材料，应用于钙钛矿太阳能电池，具有匹配的能级，能吸收红光，可大幅度提高钙钛矿太阳能电池的电流密度及光电转换效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于螺[芴-9,9’-氧杂蒽]的有机小分子空穴传输材料，其结构式如下：