[发明专利]一种咔唑类空穴传输材料及其合成方法和应用

说明书

本发明属于太阳能电池技术领域，公开了一种咔唑类空穴传输材料及其合成方法，及其应用于Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池中的用途。本发明的咔唑类空穴传输材料，以噻吩为核心结构，以咔唑衍生物为桥连基团，以N‑(9,9‑二甲基‑9H‑3‑芴)‑4‑甲氧基苯胺为端基基团。首先2，5‑二溴噻吩与化合物1发生Suzuki偶联反应，得到中间体2；中间体2经过溴化反应得到中间体3；然后中间体3与反应物4发生Buchwald‑Hartwig偶联反应，得到最终产物PTDCZ‑TFNP。PTDCZ‑TFNP与Spiro‑OMeTAD空穴传输层构筑双空穴传输层，应用于Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池中，优化了器件内部的能级排布，提升了电荷抽取与传输性能，避免了内部能量的损失，进而大幅度提升了电池的效率和稳定性。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种咔唑类空穴传输材料及其合成方法，及其应用于Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿太阳能电池中的用途。

背景技术

近年来，有机-无机杂化铅卤钙钛矿太阳能电池(PSCs)不断取得突破，已受到全世界的广泛关注。迄今为止，单结PSCs的最高认证光电转换效率(PCE)已达到25.7％(Min,H.；Lee,D.Y.；Kim,J.；Kim,G.；Lee,K.S.；Kim,J.；Paik,M.J.；Kim,Y.K.；Kim,K.S.；Kim,M.G.；Shin,T.J.；Il Seok,S.Nature 2021,598,444.)。然而，稳定性和铅毒性是限制其走向商业化的两大关键性因素。针对这一问题，近年来人们致力于寻求开发稳定的非铅基钙钛矿材料来替代传统的铅基钙钛矿材料，其中Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿具有化学结构稳定、光电性能优异和环境友好等优点，是一种有潜力的非铅基钙钛矿材料候选者，遂成为钙钛矿太阳能电池领域的研究热点之一(Slavney,A.H.；Hu,T.；Lindenberg,A.M.；Karunadasa,H.I.J.Am.Chem.Soc.2016,138,2138；Longo,G.；Mahesh,S.；Buizza,L.R.V.；Wright,A.D.；Ramadan,A.J.；Abdi-Jalebi,M.；Nayak,P.K.；Herz,L.M.；Snaith,H.J.ACS EnergyLett.2020,5,2200.)。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％(基于光敏染料和Cs₂AgBiBr₆光吸收层的电池最高效率为4.23％)，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；Sirtl,M.T.；Hooijer,R.；Armer,M.；Ebadi,F.G.；Mohammadi,M.；Maheu,C.；Weis,A.；van Gorkom,B.T.；S.；Janssen,R.A.J.；Mayer,T.；Dyakonov,V.；Tress,W.；Bein,T.Adv.EnergyMater.2022,12,2103215.)。目前，限制Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿电池效率提升的主要因素之一是Cs₂AgBiBr₆双钙钛矿材料与传统空穴传输材料2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)的能级失配问题；同时，亦有研究表明Spiro-OMeTAD空穴传输层中的添加剂锂盐具有较强的亲水性，是导致钙钛矿分解的主要原因之一(Yang,X.；Chen,Y.；Liu,P.；Xiang,H.；Wang,W.；Ran,R.；Zhou,W.；Shao,Z.Adv.Funct.Mater.2020,30,2001557；Liu,C.；Igci,C.；Yang,Y.；Syzgantseva,O.A.；Syzgantseva,M.A.；Rakstys,K.；Kanda,H.；Shibayama,N.；Ding,B.；Zhang,X.；Jankauskas,V.；Ding,Y.；Dai,S.；Dyson,P.J.；Nazeeruddin,M.K.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2021,60,20489.)。