[发明专利]一种以蒽醌为核心的有机小分子功能材料及其合成方法和用途

说明书

本发明属于有机半导体功能材料领域，涉及一种以蒽醌为核心的有机小分子功能材料及其合成方法，以及在无铅Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池中的应用。以蒽醌为核心结构，以4,4‑二甲氧基三苯胺为外围基团，构筑的具有对称结构的有机小分子功能材料，作为无铅Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿/Spiro‑OMeTAD空穴传输层的界面功能性插层，应用于无铅Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池中：一方面，以蒽醌为核心结构的功能材料的引入有益于合理优化电池内部能级排布，提升电荷传输效率，避免过多能量损耗，进而提升电池的光电转化效率；另一方面，此功能材料具有较强的疏水性，有效防止了空穴传输层中有害掺杂剂及水汽向Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿层的渗透，抑制了钙钛矿的降解，提升了电池的稳定性。

技术领域

本发明属于有机半导体功能材料领域，涉及一种以蒽醌为核心的有机小分子功能材料及其合成方法，以及在无铅Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)被认为是未来最有发展前景的光伏器件之一。自2009年首次报道以来，经过短短十几年时间，PSCs的光电转换效率(PCE)已迅速提升到25.7％(A.Kojima,K.Teshima,Y.Shirai,T.Miyasaka,J.Am.Chem.Soc.2009,131,6050；H.Min,D.Y.Lee,J.Kim,G.Kim,K.S.Lee,J.Kim,M.J.Paik,Y.K.Kim,K.S.Kim,M.G.Kim,T.J.Shin,S.Il Seok,Nature 2021,598,444.)。但是，作为传统钙钛矿太阳能电池的核心组成部分，有机-无机杂化钙钛矿材料中含有毒性较强的Pb元素，一旦电池在使用或回收过程中发生泄露，会对环境产生污染，这严重限制了铅基钙钛矿太阳能电池的商业化应用。针对这一问题，众多课题组采用其它元素如Sn、Ge、Bi、Sb等，来代替Pb元素成功制备了非铅基钙钛矿太阳能电池，并取得了较好的研究进展(W.Ke,M.G.Kanatzidis,Nat.Commun.2019,10,965；Q.Fan,G.V.Biesold-McGee,J.Ma,Q.Xu,S.Pan,J.Peng,Z.Lin,Angew.Chem.Int.Ed.2020,59,1030；Z.Xiao,Z.Song,Y.Yan,Adv.Mater.2019,31,1803792.)。其中，基于Bi、Ag元素的Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池于2017年被Greul等人率先报道，并初步获得了2.5％的光电转换效率，此类Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿电池在空气中表现出较高的稳定性，被认为是非铅基钙钛矿电池的有力候选者之一(E.Greul,M.L.Petrus,A.Binek,P.Docampo,T.Bein,J.Mater.Chem.A 2017,5,19972；X.Q.Yang,Y.H.Chen,P.Y.Liu,H.M.Xiang,W.Wang,R.Ran,W.Zhou,Z.P.Shao,Adv.Funct.Mater.2020,30,2001557；T.Luo,Y.L.Zhang,X.M.Chang,J.J.Fang,T.Q.Niu,J.Lu,Y.Y.Fan,Z.C.Ding,K.Zhao,S.Z.Liu,J.Energy Chem.2021,53,372.)。近些年，众多课题组一直致力于利用前驱液组分调控、溶剂及添加剂工程等手段，提升Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿薄膜质量，进而提升Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池的光电性能(E.Greul,M.L.Petrus,A.Binek,P.Docampo,T.Bein,J.Mater.Chem.A 2017,5,19972；C.Wu,Q.Zhang,Y.Liu,W.Luo,X.Guo,Z.Huang,H.Ting,W.Sun,X.Zhong,S.Wei,S.Wang,Z.Chen,L.Xiao,Adv.Sci.2018,5,1700759；F.Igbari,R.Wang,Z.K.Wang,X.J.Ma,Q.Wang,K.L.Wang,Y.Zhang,L.S.Liao,Y.Yang,Nano Lett.2019,19,2066.)。目前，Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率仅为3.11％，与理论极限效率8％仍有很大差距(Wang,B.；Li,N.；Yang,L.；Dall'Agnese,C.；Jena,A.K.；Sasaki,S.I.；Miyasaka,T.；Tamiaki,H.；Wang,X.F.J.Am.Chem.Soc.2021,143,2207.)。