[发明专利]一种螺茚类空穴传输小分子及其在钙钛矿太阳能电池的应用

说明书

本发明提供一种含螺茚结构的空穴传输小分子材料。其以螺茚结构为核，既具有与经典材料Spiro‑OMeTAD类似的螺原子连接，又具有更好的溶解性；引入咔唑三苯胺类树枝单元，可以保证较好的HOMO能级和空穴迁移率。用于钙钛矿太阳能电池中作为空穴传输层，光电转换效率最高可达18.55％。

技术领域

本发明涉及钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一类含有螺茚结构的空穴传输小分子制备方法及其在钙钛矿太阳能电池器件中的应用。

背景技术

近年来，“能源危机”以及化石能源燃烧所带来的环境问题越来越受到人们的重视，发展可再生、环境友好的新能源势在必行。其中，太阳能由于“取之不尽、用之不竭”且最为清洁，对人类社会的可持续发展至关重要。开发低成本、高效率的新型太阳能电池成为了近年来的研究热点。其中钙钛矿太阳能电池发展迅猛，器件效率从最初2009年的3.8％^[1]迅速提高到2016年的22.1％^[2]，受到了世界瞩目，成为了目前新型太阳能电池领域的研究热点之一。

CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)等钙钛矿材料具有诸多优点，比如，高消光系数且带隙合适^[3]、激子束缚能低^[4]、电荷扩散距离长^[5]、载流子迁移率高^[6]、较宽的光谱吸收范围^[7]等，非常适合作为太阳能电池的吸光材料。此类电池器件效率迅速提高的主要原因是钙钛矿材料组分和制备方法的优化^[8]以及新型高效电荷收集材料的发展^[9]。电荷收集材料包括电子传输材料和空穴传输材料(HTM)，是推动钙钛矿太阳能电池器件实现更高效率和更高稳定性的必不可少部分^[10]。

螺芴小分子Spiro-OMeTAD作为空穴传输层材料，结合优异的钙钛矿制备方法，已经实现了超过20％的器件效率，是目前使用最为广泛的经典空穴传输材料^[11]。然而，合成Spiro-OMeTAD要以2，2’，7，7’-四溴-9，9’-螺芴作为反应原料，此原料的合成过程需要保持在-78℃的低温条件以及温度、湿度都敏感的化学试剂(正丁基锂或者格氏试剂)和液溴(具有极强烈的毒害性与腐蚀性且易挥发)的使用。此外，合成的Spiro-OMeTAD需要经过升华过程进行进一步提高纯度以获得较高的器件性能。这些问题提高了Spiro-OMeTAD的合成成本^[12]，限制了其大规模应用。因此开发高效率低成本的新型空穴传输材料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的之一，提供一种含螺茚结构的空穴传输小分子材料。本发明的空穴传输材料，以螺茚结构为核，既具有与经典材料Spiro-OMeTAD类似的螺原子连接，又具有更好的溶解性；引入咔唑三苯胺类树枝单元，可以保证较好的HOMO能级和空穴迁移率，二者结合起来以保证材料具有优异的器件性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

一种含有螺茚结构的小分子，其特征在于，其化学结构式通式如下：

通式中的符号和系数具有如下含义：

R₁为H、-OH、C₁-C₃-烷氧基或者C₁-C₃-烷基；

a、b是相同或不同的，并为0、1或2；

G₁、G₂是相同或者不同的，并为如下结构式所示:

式中的符号和系数具有如下含义：

c是相同或不同的，并为0、1或2；