[发明专利]一种自组装单分子层型非掺杂空穴传输材料及其合成方法和应用

说明书

本发明公开了一种自组装单分子层型非掺杂空穴传输材料及其合成方法，以及在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明以具有刚性共轭大平面的吲哚并咔唑为母核，改善分子堆积并提升材料的空穴传输性能；以羧酸和磷酸基团为末端实现单分子自组装并钝化钙钛矿界面，减少界面处能量损失，提高电池性能。本发明合成方法简单，合成成本低廉，所制备的材料能实现空穴传输和钙钛矿界面钝化双重功能。该材料应用于倒置钙钛矿太阳能电池中作为空穴传输层时，无需掺杂即可获得1.1V的高开路电压和19％的光电转化效率，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及空穴传输材料技术领域，具体涉及一种自组装单分子层型非掺杂空穴传输材料及其合成方法和应用。

背景技术

能源是现代文明的支柱，摆脱对传统化石能源的依赖，开发清洁可持续的太阳能成为研究人员的共识。其中，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)自2009年被首次报道以来，其光电转化效率(PCE)从3.9％快速提升至25.5％，短短十年的效率发展甚至接近了单晶硅太阳能电池四十余年的总和(26.1％)。考虑到PSCs在低成本、大规模柔性制造上的独特优势，它被认为是有望取代硅基太阳能电池的下一代光伏技术。相比于传统的正置结构(n-i-p)，倒置PSCs(p-i-n)避免了高温烧结过程，各层均能低温溶液制备，器件几乎没有回滞且电极可以使用廉价的铜，这些优势使得倒置结构成为PSCs商业化的最佳选择。

空穴传输材料(HTMs)是PSCs的重要组成部分，尤其对于倒置器件而言，HTMs不仅扮演传输空穴的角色，还会作为基底极大影响钙钛矿薄膜的质量，因此开发新型HTMs成为提升倒置PSCs器件性能的有效方法。聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)是目前高效率倒置PSCs中最常用的HTM，但PTAA自身的诸多问题阻碍了它的大规模应用：首先，PTAA的价格高达1980$/g，是黄金的数十倍，而传统的旋涂法在制备薄膜时又会造成PTAA的大量损失，导致器件成本过高；其次，PTAA自身的空穴迁移率较低(～10^-5cm² V^-1 s^-1)，需要添加双三氟甲磺酰亚胺锂(Li-TFSI)、2,3,5,6-四氟-7,7',8,8'-四氰二甲基对苯醌(F4TCNQ)等掺杂剂提高空穴传输性能，然而易吸水的Li-TFSI会严重影响钙钛矿寿命，而F4TCNQ的价格则高达7600$/g(Sigma-Aldrich)。此外，这些掺杂剂在PTAA的良溶剂(氯苯、甲苯等)中溶解性差，易导致掺杂后的PTAA薄膜不均一、不平整。因此，开发廉价高效、迁移率高、可低温溶液加工的非掺杂HTMs是推动倒置PSCs产业化进程的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空穴迁移率高、导电性好，无需进行掺杂，可低温溶液加工的非掺杂空穴传输材料。

为了达到上述目的，本发明设计的一种自组装单分子层型非掺杂空穴传输材料，以吲哚并咔唑为母核，羧酸和磷酸为末端，该材料具有以下结构式：

或

本发明的另一目的是提供一种上述空穴传输材料的合成方法，具体包括如下步骤：

当烷基末端为羧基(IDCZ-C6COOH)时，具体合成步骤如下：

步骤一：氮气保护下，3,9-二溴-5,11-二氢吲哚[3,2-b]咔唑(IDCZ-Br)和7-溴庚酸乙酯反应得到3,9-二溴-5,11-二(7-庚酸乙酯)-吲哚[3,2-b]咔唑(IDCZ-Br-C6EA)。