[发明专利]一种非掺杂空穴传输材料及其应用

说明书

本发明公开了一种非掺杂空穴传输材料的结构、合成方法及其应用。一种非掺杂型空穴传输材料以N,N‑二芳基‑m‑苯胺基作为外围给电子单元，以2,6,10‑三甲基三亚苯、烷基取代的TRX、N‑TRX和三噻吩并苯、二噻吩并吡咯等为核心构成。本发明还公开了一种非掺杂空穴传输材料作为钙钛矿太阳电池空穴传输层的用途，所述的钙钛矿太阳电池各层包括衬底、电极、空穴传输层、钙钛矿活性层、电子传输层和电极，其中，空穴传输层至少包括一种非掺杂空穴传输材料中的一种或两种以上的混合物。本发明公开的一种非掺杂空穴传输材料具有高迁移率、高稳定性和易于合成等优势，所制备的钙钛矿电池具有光电转换效率高、器件稳定性好的优势。

技术领域

本发明涉及一种非掺杂空穴传输材料及其应用，可用于钙钛矿太阳能电池技术领域。

背景技术

具有二维平面构型的盘状或星形有机小分子空穴传输材料由于其二维共轭特性和较强的分子间π-π相互作用，容易形成面对面(face-on)堆积模式，增强分子间的电荷传输效率，从而实现较高的空穴迁移率和钙钛矿太阳能电池光伏性能。在有机光电材料的发展历程中，研究人员设计开发了大量具有二维共轭特点的刚性分子片段，如三聚茚、氮杂三聚茚、芘、苯并三噻吩、杂原子三角烯、双螺烯和三亚苯等，因此在空穴传输材料设计合成中可以将这些二维共轭片段与芳香胺、连噻吩等给体单元通过Buchwald-hartwig、Suzuki、Stille等偶联反应简单高效的制备。

三聚茚(Truxene)和氮杂三聚茚(Triazatruxene)是一类具有C₃h对称特点的刚性共轭多环芳烃，在有机光电材料设计中应用广泛。研究人员基于三聚茚和氮杂三聚茚设计合成了一系列掺杂和非掺杂型高效空穴传输材料，其中，Nazeeruddin团队基于氮杂三聚茚设计合成了KR系列二维盘状空穴传输材料，详细研究了不同给体单元对材料性能的影响，其中基于对甲氧基苯的KR131应用于介孔结构钙钛矿太阳能电池获得了18.3％的最高PCE。之后，他们通过引入末端氰基化的三连噻吩拓展分子的共轭范围，成功制备了D-π-A非掺杂型空穴传输材料KR321，应用于钙钛矿太阳能电池获得了19.03％的PCE，超过掺杂Spiro-OMeTAD的光伏性能。陈红征团队以三聚茚为核心设计合成的Trux-OMeTAD作为非掺杂型空穴传输材料应用于反式平面结构钙钛矿太阳能电池，PCE高达18.6％。梁茂团队在这一研究基础上，以三苯胺、N-苯基咔唑取代甲氧基苯制备了M115-M118系列非掺杂空穴传输材料，其中M118应用于反式钙钛矿太阳能电池，最高PCE达到17.1％。综上，通过对基于(氮杂)三聚茚空穴传输材料的回顾可以发现，通过合适的中心共轭单元的选择和外围芳胺基团的调控可以逐步优化材料的空穴传输特性和器件光伏性能。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种非掺杂空穴传输材料及其应用。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一一种非掺杂空穴传输材料，具有如化学结构通式(I)所示的结构：

其中，环PAH为以下多环芳烃中的一种：

R¹表示氢，氘，卤素，氰基，烷基，烯基，炔基，烷氧基，硅烷基，环烷基，取代或未取代的C6～C30芳基或C3～C30杂芳基；宽虚线表示，全部R¹或部分R¹与所述环PAH在邻接的芳基形成共有一边的稠环结构；

R²表示虚线为R²与PAH连接的位点；L表示单键、炔键、亚苯基、亚噻吩基、亚噻唑基、亚吡啶基、亚萘基、芴基、咔唑基、萘并吲哚基；R₃、R₄、R₅和R₆各自独立表示C1～C10烷基链；Ar₁和Ar₂各自独立地表示取代或未取代的芳基、取代或未取代的杂环芳基；m和n各自独立的选自0～6的整数。