[发明专利]p掺杂有机小分子及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了两种p掺杂有机小分子及其制备方法和应用。本发明分别采用Suzuki偶联反应和Buchward–Hartwig反应制备了Spiro‑DTP‑TPA和Spiro‑DTP‑DPA。这两种有机材料具有高的空穴流动性和与Pb具有强的相互作用。应用于钙钛矿太阳能电池的反溶剂工程中，优化了钙钛矿的结晶，钝化了钙钛矿薄膜表面与晶界处的缺陷，同时p掺杂钙钛矿实现能带弯曲，最终大大的提高了电池的性能和稳定性，将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从原有的17.22%提升至20.21%，同时，在相对湿度为30~40%，温度为20~35 ^oC的条件下储存1080 h后，p掺杂的电池仍可维持94%的初始效率，而原始器件的效率已降低至初始效率的49%。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，尤其涉及p掺杂有机小分子及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着能源危机日益凸显，发展清洁能源无疑是有效缓解这一问题的途径之一。钙钛矿太阳能电池本身具备很多独特优势，被认为是一种非常具有潜力的光电转换装置。尽管钙钛矿具有优异的吸光系数，可调的直接带隙，低结合能，高载流子流动性等优势，但其结晶过程中在膜的表面和晶界处形成大量缺陷，这些缺陷会成为电子和空穴的复合中心，降低电池性能，同时也会成为钙钛矿分解反应中心，降低钙钛矿的稳定性。钙钛矿能级与传输层能级不匹配是影响钙钛矿太阳能电池性能的另一个重要因素，其会造成能量损失，体现为钙钛矿太阳能电池的开路电压降低，从而降低电池的光电转化效率(PCE)。因此，钙钛矿活性层的结晶质量及其与电荷传输层的能级匹配度对于电池的光电转换性能起着至关重要的作用。一种良好的钙钛矿薄膜应该具备光滑的形貌(晶粒大，接触紧密，无针孔)；优势生长取向(垂直基底生长)；与传输层能级匹配等特点。有机分子应用于反溶剂工程，可以通过有机分子中的Lewis碱锚定基团和钙钛矿中的Pb相互作用来调整结晶，形成优势晶体晶面生长，钝化缺陷，减少电荷复合，同时可以p掺杂钙钛矿，实现能带弯曲，从而调整钙钛矿与电荷传输层之间的能级匹配，减少开路电压损失，提高电池性能。因此研究p型有机分子应用于反溶剂工程掺杂钙钛矿具有十分重要的意义。

环戊二噻吩因其具有较好的共轭结构和高的电子云密度，这样有利于提高空穴流动性，在有机光电领域受到了广泛的关注。同时噻吩中的硫原子含有孤对电子，可以作为Lewis碱锚定基团与钙钛矿中的铅相互作用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供以螺[环戊[1,2-b:5,4-b']二噻吩-4,2'-[1,3]二氧戊环]为核的p型有机分子、制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明的有机材料具有高的空穴流动性和与Pb具有强的相互作用，应用于钙钛矿太阳能电池的反溶剂工程中，优化了钙钛矿的结晶，钝化了钙钛矿薄膜表面与晶界处的缺陷，同时p掺杂钙钛矿实现能带弯曲，最终大大的提高了电池的性能和稳定性。

本发明提供的技术方案具体如下。

本发明提供两种p掺杂有机小分子，其以螺[环戊[1,2-b:5,4-b']二噻吩-4,2'-[1,3]二氧戊环]为核，结构式分别如式(1)、式(2)所示：

本发明中，式(1)、式(2)所示的p掺杂有机小分子，二者均具有D-π-D结构，式(2)所示结构的p掺杂有机小分子的供电单元(甲氧基三苯胺)与核(环戊二噻吩)之间的二面角为23.14°,整个分子骨架具有好的平面性，分子中的O原子处具有高的电子云分布；如式(1)所示结构的Spiro-DTP-DPA的供电单元(甲硫基二苯胺)与核(环戊二噻吩)之间的二面角为61.82°，分子中的O和S原子处具有高的电子云分布。

本发明还提供一种上述的p掺杂有机小分子在钙钛矿太阳能电池中的应用。

优选的，p掺杂有机小分子作为空穴传输层。

优选的，p掺杂有机小分子作为活性层反溶剂法制备钙钛矿太阳能电池。