[发明专利]一种环状咔唑类小分子空穴传输材料及其合成方法和应用

说明书

本发明属于光电材料的空穴传输层技术领域，具体公开了一种环状咔唑类小分子空穴传输材料及其合成方法和应用。本发明的环状咔唑类小分子空穴传输材料通过烷基链将咔唑单元和噻吩单元连接成环，以烷氧基或烷硫基的取代链为侧基，分子结构对称，具有优秀的空穴传输能力。本发明的合成成本较低，反应条件温和，得到的环状咔唑类小分子空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中表现出较好的光电转换效率，其在有机发光二极管和太阳能电池等有机光电领域均有较高的应用价值。

技术领域

本发明属于光电材料的空穴传输层技术领域，具体涉及一种环状咔唑类小分子空穴传输材料及其合成方法和应用。

背景技术

随着科学技术的发展，有机功能材料，尤其是具有光电转换功能的有机材料的研究一直受到科学家和企业家的重视，已在许多领域取得了实用化进展，形成了多个高新技术产业，如有机发光二极管，液晶显示器，有机光导体，有机光致变色器材和钙钛矿太阳能电池等。由有机功能材料制备的器件在我们的日常生活和生产的各个领域中经常使用。其中，钙钛矿太阳能电池自2009年起，经过十几年发展，其光电转换效率从最初的3.8％增长至目前的25.7％，成为当前新能源领域最具竞争力的光伏技术之一。

空穴传输材料(Hole Transport Materials，HTMs)作为一类重要的光电材料，其性能的好坏直接决定着器件的光伏性能。在高效的传统n-i-p型钙钛矿太阳能电池中，HTMs作为钙钛矿晶体和金属电极之间重要的界面层，在促进空穴的提取、传输以及抑制钙钛矿界面处载流子的复合等方面起着非常重要的作用；且HTMs还可以阻止空气中的水分对钙钛矿的侵蚀，可以有效地提高器件的性能和稳定性。

Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)作为最早的、最常用的一类应用于钙钛矿太阳能电池的有机HTMs，可以实现高光电转换效率器件应用，一直被当作钙钛矿太阳能电池中空穴传输材料的标杆，但是由于其复杂的合成路径、昂贵的提纯成本、低空穴迁移率和低电导率等缺点，限制了它在商业化光伏行业的大规模应用。而咔唑类衍生物因为具有以下的优点被广泛用于合成HTMs：(1)作为原料的9H-咔唑成本十分低廉；(2)具有优越的光学和电学性能；(3)具有良好的热力学稳定性和结构稳定性；(4)具有合适的能级；(5)具有较多的活性位点可供修饰和能级调节。但目前仍缺乏可通过咔唑类衍生物为原料高效合成高性能的HTMs合成路径。因此，设计合成简单、提纯成本较低且高性能的HTMs对于太阳能电池未来的发展尤为迫切。

发明内容

针对上述现有技术涉及HTMs合成路径复杂的、提纯成本高、空穴迁移率和电导率低等问题，本发明将提供一种环状咔唑类小分子空穴传输材料及其合成方法和应用。

为实现上述目的，具体包括以下技术方案：

本发明的第一个目的在于，提供一种环状咔唑类小分子空穴传输材料，其化学结构如下式(Ⅰ)所示：

其中，n为3、4或5，X为-OCH₃、-OCH₂CH₃、-O(CH₂)₂CH₃、-SCH₃、-SCH₂CH₃或-S(CH₂)₂CH₃。

作为本发明优选的实施方式，所述n为4，X为-OCH₃。

环状咔唑类小分子空穴传输材料通过烷基链将咔唑单元和噻吩单元连接成环，以烷氧基或烷硫基的取代链为侧基，该空穴传输材料结构对称，具有优秀的空穴传输能力。

本发明的第二个目的在于，提供一种环状咔唑类小分子空穴传输材料的合成方法，包括如下步骤：