[发明专利]基于二甲胺基取代萘酰亚胺-联噻吩的有机n型半导体材料及其制备方法与应用

说明书

本申请公开了一种基于二甲胺基取代萘酰亚胺‑联噻吩的有机n型半导体材料及其制备方法与应用，具体为基于二甲胺基取代萘酰亚胺为拉电子单元，联二噻吩为给电子单元的n‑型有机共轭半导体材料及其制备方法，以及其作为阴极界面修饰层材料在钙钛矿太阳能电池中的应用。本申请公开的一种基于二甲胺基取代萘酰亚胺‑联噻吩的有机n型半导体材料具有可溶液加工、电子迁移率高、热稳定性优异、能级适当等优点，是理想的钙钛矿太阳能电池电子传输层材料。

技术领域

本申请属于材料技术领域，具体涉及一种二甲胺基取代萘酰亚胺-联噻吩半导体小分子材料及其制备方法与应用，以及其作为电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的清洁、绿色能源，近年来随着世界各国对能源问题的重视，太阳能电池成为该领域的研究热点。与传统的半导体太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有成本低、效率高、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，具有广阔的发展和应用前景^1-3。自2013年以来，钙钛矿太阳能电池(PSC)经历了巨大的发展，其光电转换效率(PCE)高于22％⁴。在最近的时间里，研究人员专注于PSC的稳定性增强，廉价的大面积制备和柔性器件的制造⁵_,⁶。为了实现廉价的大面积柔性PSC，倒置结构由于其不含TiO₂，因此可以低温制备，是非常合适制造大面积柔性器件的装置⁷。大量实验证实，优化的典型倒置器件结构是：ITO/空穴传输层/钙钛矿/电子传输层/空穴阻挡层/Ag。在这些器件中，采用双层结构作为钙钛矿与Ag之间的界面层是相对复杂的，由C₆₀(40nm)和BCP(10nm)组成的50nm厚的界面层还需要通过高真空蒸发来制备，成本较高。PCBM或富勒烯衍生物价格昂贵，长期对光和氧不稳定。为了进一步简化和降低器件制造的成本，提高电池稳定性，探索具有溶液加工性的高效、稳定的电子传输材料或阴极界面修饰层材料以替代这些双层电子传输层具有重要意义。

电子传输材料或阴极界面修饰层材料必须满足三个要求，1)与钙钛矿材料的能级匹配；2)优异的电子迁移率；3)可溶液加工。有机n型半导体小分子可能是较好的选择，因为它们的能级可调节性强，高的电子迁移率和优异的成膜性。

已经证明，萘酰亚胺(NDI)母体单元化合物在有机场效应晶体管和有机光伏电池中显示出优异的n型半导体性质¹⁰。其中，高迁移率的萘二酰亚胺(NDI)-噻吩，有望成为用于PSC的合适的电子传输材料，因为它具有低的最低空分子轨道(LUMO)能级-3.9eV，和最高占据分子轨道(HOMO)能级约-6.0eV¹¹。其LUMO能级与钙钛矿CH₃NH₃PbI₃或CH₃NH₃PbCl_xI_3-x的LUMO能级相当匹配，另外，其低位HOMO能级能够有效阻止空穴向阴极转移。

本申请设计并合成了一种二甲胺基取代萘酰亚胺-联噻吩，通过Suzuki偶联溴代和，联二噻吩获得。它们作为电子传输层材料应用于倒置器件ITO/NiO_x/钙钛矿/电子传输层材料3/Ag中，制备出高效率钙钛矿太阳能电池器件。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本申请提供了一种基于二甲胺基取代萘酰亚胺-联噻吩的有机n型半导体材料及其制备方法与应用，具有高的电子迁移率、能级适当、可溶液加工和优异的成膜性等优点。

技术方案：为实现上述目的，本申请采用的技术方案为提供一种基于二甲胺基取代萘酰亚胺-联噻吩的有机n型半导体材料，其特征在于，所述材料的结构通式包括：

其中，R₁、R₂各自独立地为烷基C_nH_2n+1，其中n为0-12。