[发明专利]基于苯并二噻吩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苯并二噻吩的有机小分子空穴传输材料及其制备方法和应用，该空穴传输材料是以苯并二噻吩作为分子核心，具有很好的光电效应；在分子上引入少量烷基链，便可改善材料的有机溶剂溶解性及疏水性，从而改善电池的稳定性；加以卤素原子的修饰，得到更好的载流子迁移率；引入共轭性质的基团拓宽分子共轭体系，可以调节能级；这种特殊的分子设计可以有效调节苯并噻吩类衍生物结晶度，使材料兼顾溶解性和空穴传输性能，提高器件的光电转换效率及电流密度；而且该材料的合成较之Spiro‑OMe TAD更为简单，造价更低，稳定性更高。该空穴传输材料应用于钙钛矿太阳能电池中，可以改善器件的稳定性,提高电流密度及高光电转化率，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种基于苯并二噻吩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2009年钙钛矿太阳能电池诞生至今，其光电转换效率节节攀升。目前最优越的钙钛矿太阳能电池，经美国可再生能源实验室(NREL)认证，效率达到了25％。钙钛矿太阳能电池的发展速度在光伏领域前所未有，为太阳能电池的发展带来了新的希望。而空穴传输材料的应用是钙钛矿太阳能电池发展史上的一个重大突破。作为钙钛矿太阳能电池中不可或缺的一部分，合适的空穴传输材料既有助于空穴传输，也有助于电子和空穴的分离、避免电荷复合。使用空穴传输材料不仅可以提高电池的效率，还可以改善电池的整体稳定性，有利于钙钛矿太阳能电池产业进一步迈向商业化。有机小分子类空穴传输材料凭借种类繁多、结构多变、合成方法灵活、器件效率高等优点，在众多的空穴传输材料中脱颖而出。

传统的空穴传输材料中，芳胺类材料通常具有较高的空穴迁移率，电化学性能良好，最常用的就是Spiro-OMeTAD经典材料，但是由于其结晶度差、环境降解、多重合成方法、成本高、电荷积累强等缺点限制了其应用。近年来，许多研究者也在不断的研究合成出新的空穴传输材料，如包含噻吩、苯并噻吩和卤素原子等小分子空穴传输材料，这类材料的在普通的有机溶剂中有良好的溶解性，高的玻璃化温度，HOMO能级适合于空穴传输，表现出好的空穴传输性能。基于此，本发明设计合成了三种基于苯并二噻吩的有机小分子空穴传输材料，苯并噻吩由于其较高的空穴迁移率被广泛应用于空穴传输材料，因此将苯并噻吩作为此三种材料的核，左右两边的侧链利用联噻吩作为桥，形成良好的共轭双键，有利于电子的传输，末端加以卤素原子F和Cl进行修饰。F原子是最小的拉电子基团，可以与氢原子、硫原子、碳原子等多种原子形成弱相互作用，增强分子内或分子间相互作用。氯原子具有很好的位阻效应，可以抑制噻吩环之间的π-π相互作用。因此，通过卤素原子的修饰，能够调控材料的能级、堆积行为、载流子迁移率等性能，能够使材料拥有很好的空穴迁移率。同时在材料的上下两端加以烷基链，可以使材料形成良好的溶解性。更重要的是，此类材料的合成较之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基于苯并二噻吩和卤素原子修饰类衍生物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：

一种基于苯并二噻吩的有机小分子空穴传输材料，其结构式如下：

其制备方法为：在氮气保护条件下，将0.5mmol的4,8-二(5-(己基噻吩-2-yl)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2,6-二yl)二(三甲基锡)、1.25mmol的2-(5-溴噻吩-2-yl)-5-氟噻吩、0.05mmol的Pd(PPh₃)₄和30mL甲苯依次加入50mL干燥的双颈瓶中，双排管抽排三次，置于110℃条件下，避光搅拌反应48小时，冷却至室温，粗产物经旋转蒸发仪,去除多余混合溶剂后，粗产物多次重结晶，得固体粉末的化合物即为最终产物。