[发明专利]一种含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料及其制备方法及在钙钛矿太阳能电池中的应用。该类空穴传输材料以吩嗪并二噻吩为分子核，其吸电子特性能有效降低空穴分子的HOMO能级，提高电池器件的开路电压；同时其刚性平面化分子构型显著增强分子间π‑π堆积效应，提升空穴传输性能。本发明合成路线简单、成本低廉，所合成的材料具有高的光热稳定性能。将其应用于钙钛矿太阳能电池，无需掺杂即可获得19.07%的光电转化效率，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料及其制备方法和应用。

背景技术

作为新一代光伏科技，钙钛矿太阳能电池具有材料易调变、效率高、制备工艺简单、成本低廉等优点，近年来在太阳能电池领域中备受瞩目。其效率从3.9％(J.Am.Chen.Soc,2009,131,6050.)飞速提升到25.6％(Nature,2021,592,381.)。空穴传输层作为PSCs重要的组成部分，有着收集钙钛矿吸收层的空穴并将其传输到对电极的重任，同时还能有效抑制器件界面电子复合，对电池效率和稳定性定起到至关重要的影响。空穴传输材料主要分为有机和无机空穴传输材料两大类。无机空穴传输材料的可选择范围较窄，对应器件的光电转换效率相对较低；而有机空穴材料由于分子设计灵活，光谱和能级易于调节。目前，钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料应用最为广泛且高效的空穴传输材料是Spiro-OMeTAD。然而，Spiro-OMeTAD分子的合成制备成本高昂，用其制备的钙钛矿太阳能电池需要掺杂，导致器件制备成本提高、同时器件稳定性降低，限制了其商业化的大范围应用。因此，研发新型的免掺杂有机空穴传输材料是进一步提高电池效率及稳定性的有效手段，成为当前钙钛矿太阳能电池领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中应用。

为实现上述目的，本发明设计的一种含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料，是以刚性平面化及吸电子特性的吩嗪并二噻吩为分子核，甲氧基三苯胺为外围修饰基团，该材料具有式(5)和式(8)所示的化学结构式：

本发明的进一步改进方案为：

所述的式(5)化合物的制备方法包括如下步骤：

使式(1)化合物与式(2)化合物反应生成式(3)所示化合物；使式(3)化合物与式(4)化合物发生Suzuki偶联反应生成式(5)所示化合物，即含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料，化学反应方程式如下：

进一步的，上述制备方法具体步骤如下：

步骤一，氩气保护下，使式(1)化合物在混合溶剂乙醇和乙酸中与式(2)化合物发生反应生成式(3)所示化合物，其中化合物用量以物质的量计，式(1)化合物：式(2)化合物＝1：1～2，反应温度为100～120℃，反应时间为4～12h；

步骤二，使式(3)化合物在四氢呋喃溶剂中，氩气保护条件下，在四三苯基磷钯和碳酸钾作用下与式(4)化合物发生Suzuki偶联反应生成式(5)所示化合物，即含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料，其中化合物用量以物质的量计，式(3)化合物：式(4)化合物：四三苯基膦钯：碳酸钾＝1：4～8：0.02～0.1：4～10，反应温度为25～80℃，反应时间为6～24h。

本发明的更进一步改进方案为：

所述的式(8)化合物的制备方法包括如下步骤：

使式(1)化合物与式(6)化合物反应生成式(7)所示化合物；使式(7)化合物与式(4)化合物发生Suzuki偶联反应生成式(8)所示化合物，即含吩嗪并二噻吩类免掺杂空穴传输材料，化学反应方程式如下：