[发明专利]一种基于稠环吸电子母核的非掺杂空穴传输材料及其合成方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于稠环吸电子母核的非掺杂空穴传输材料及其合成方法以及在钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明以具有吸电子能力的苯并噻二唑多元稠环为母核，其吸电子特性和平面共轭结构能有效提升材料的空穴传输性能。本发明合成方法简单，合成成本低廉，所合成的材料具有高空穴传输能力和合适的能级；应用于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，具体涉及一种基于稠环吸电子母核的非掺杂空穴传输材料及其合成方法和应用。

背景技术

太阳能电池大致可以分为三代。第一类为单晶硅、多晶硅为代表的第一代太阳能电池，这一类硅基太阳能电池目前已经实现了商业化，并占据90％以上的市场份额。但是硅基太阳能电池的工艺要求高，制造成本高昂，环境污染严重，不利于大面积推广。第二代太阳能电池包括铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)，砷化镓(GaAs)等，它们普遍采用薄膜技术，大大减少了材料用量，但仍然存在高耗能、高污染、高成本、高门槛的问题。此外，这两代太阳能电池还存在无法柔性加工的问题，限制了它们的大规模应用。第三代则是以钙钛矿太阳能电池为代表的新型光伏技术，它具有质轻、价廉、可柔性加工的特点，并具有通过卷对卷印刷、喷墨打印等方法大规模制造的潜力，有望取代成本高昂、污染严重的硅基太阳能电池，具有广阔的产业化前景。

自2009年首次被报道以来，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从3.9％(J.Am.Chem.Soc.2009,131,6050)飞速提升到了25.5％(NREL,2020)，其效率已可与硅太阳电池相媲美(26.7％,NREL,2020)。目前高效率的钙钛矿太阳能电池通常采用昂贵的spiro-OMeTAD作为空穴传输层，但spiro-OMeTAD自身空穴迁移率低、导电性差，必需采用锂盐、钴盐、叔丁基吡啶等进行掺杂，而这些亲水性掺杂剂的引入不仅严重损害电池的寿命和稳定性，也增加了电池制备的复杂度和成本，因此开发非掺杂空穴传输材料成为了钙钛矿太阳能电池领域的研究热点和产业化的关键因素。

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，无需采用锂盐、钴盐、叔丁基吡啶等进行掺杂，不会损害电池寿命和稳定性，能够降低电池生产成本的空穴传输材料。

为了达到上述目的，本发明设计的一种基于稠环吸电子母核的非掺杂空穴传输材料，以稠环吸电子的苯并噻二唑衍生物为母核，噻吩取代的甲氧基三苯胺为侧臂，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：

氮气保护下，将TPA-T-Sn分别与5,8-二溴二噻吩[3',2':3,4；2”,3”:5,6]苯并[1,2-c][1,2,5]噻二唑BTT-Br和2,10-二溴-12,13-双(2-丁基辛基)-3,9-双十一烷基-12,13-二氢-[1,2,5]噻二唑[3,4-e]噻吩并[2”,3”:4',5']噻吩并[2',3':4,5]吡咯[3,2-g]噻吩并[2',3':4,5]噻吩并[3,2-b]吲哚Y-Br在四(三苯基膦)钯催化下偶联得到目标产物BTT-T和Y-T；

进一步的，反应溶剂为甲苯。

进一步的，反应温度为110±10℃。

进一步的，TPA-T-Sn、稠环溴代衍生物BTT-Br、四(三苯基膦)钯的摩尔比为1:2:0.05～1:3:0.2，TPA-T-Sn、稠环溴代衍生物Y-Br、四(三苯基膦)钯的摩尔比为1:2:0.05～1:3:0.2。

本发明的第三目的在于将基于稠环吸电子母核的非掺杂空穴传输材料应用于钙钛矿太阳能电池。