[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于茚并[2,1-b]咔唑的空穴傳輸材料及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010062235.9
• 申請(qǐng)日: 2020-01-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111116607A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁茂;姚惠云;薛松;孫喆;陳瑜;宗雪平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C07D495/14
• 分類(lèi)號(hào): C07D495/14;H01L51/46
• 代理公司: 淮安市科文知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 32223
• 代理人: 謝觀素

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于茚并[2,1?b]咔唑的空穴傳輸材料及其制備方法和應(yīng)用，所述空穴傳輸材料化學(xué)結(jié)構(gòu)式如式Y(jié)1或Y2所示。制備方法包括如下步驟：使化合物（4）發(fā)生烷基化反應(yīng)生成中間體（5）；使中間體（5）中的硝基還原為氨基生成中間體（6）；使中間體（6）與3,3'?二溴?2,2'?聯(lián)噻吩發(fā)生環(huán)合反應(yīng)生成中間體（7）；使中間體（7）發(fā)生取代反應(yīng)生成中間體（8）；使化合物（9）發(fā)生溴代反應(yīng)生成中間體（10）；使中間體（10）發(fā)生烷基化反應(yīng)生成中間體（11）；使中間體（11）與2?三丁基甲錫烷基噻吩發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)生成中間體（12）；使中間體（12）發(fā)生溴代反應(yīng)生成中間體（13）；使中間體（8）與中間體（11）或中間體（13）發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)生成空穴傳輸材料Y1或Y2。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及摻雜型空穴傳輸材料，具體涉及一種基于茚并[2,1-b]咔唑的空穴傳輸材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，而傳統(tǒng)的化石能源越來(lái)越難以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求。此外，傳統(tǒng)化石能源的大量使用會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，加劇溫室效應(yīng)的程度。因此，尋求新型的可再生無(wú)污染能源成為了人類(lèi)社會(huì)首先要面對(duì)的問(wèn)題。而太陽(yáng)能由于其具有可再生無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，取之不盡用之不竭，不像傳統(tǒng)化石能源那樣形成周期非常漫長(zhǎng)。因此，如何高效低成本地利用太陽(yáng)能越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

太陽(yáng)能電池發(fā)展歷史悠久，種類(lèi)繁多。其中，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池由于其制作工藝簡(jiǎn)單成本低和良好的光電轉(zhuǎn)化效率，具有很廣闊的發(fā)展前景，使得鈣鈦礦太陽(yáng)能電池成為了光伏領(lǐng)域內(nèi)最熱門(mén)的研究方向。

空穴傳輸材料空穴傳輸材料具有優(yōu)化界面、調(diào)節(jié)能級(jí)匹配等作用，是構(gòu)成高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要組成部分。理想的空穴傳輸材料應(yīng)該具有高的空穴遷移率；最高占有軌道(Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO)能級(jí)在-5 .1～-5 .3eV；具有高的熱力學(xué)穩(wěn)定性、良好地溶解性和成膜性，同時(shí)具有疏水性，以便更好地保護(hù)鈣鈦礦層，提高電池的穩(wěn)定性.

在雜化鈣鈦礦太陽(yáng)電池中，目前所使用的空穴傳輸層材料局限于2，2 '，7，7 '-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9 '-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、聚三芳胺(PTAA)和PEDOT：PSS等。這類(lèi)無(wú)定形的空穴傳輸層材料的空穴遷移率普遍較低，其中Spiro-OMeTAD和PTAA需要二(三氟甲基磺酰)鋰(Li-TFSI)和4-叔丁基吡啶(TBP)作為p型摻雜，這類(lèi)摻雜分子會(huì)對(duì)電池器件的穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響；而PEDOT：PSS雖然不需要摻雜，但聚電解質(zhì)具有很強(qiáng)的吸濕性，容易破壞鈣鈦礦層的結(jié)構(gòu)，另一方面，PEDOT：PSS的酸性會(huì)造成對(duì)ITO玻璃的腐蝕，同時(shí)具有易吸濕性，導(dǎo)致電池器件的穩(wěn)定性下降。

因此，選擇合適的空穴傳輸材料，進(jìn)一步提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能成為業(yè)界迫切需要解決的問(wèn)題之一。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于茚并[2,1-b]咔唑的空穴傳輸材料，該空穴傳輸材料的HOMO和LUMO能級(jí)都要明顯高于混鹵鈣鈦礦能級(jí)(圖2b)，從而能夠有效確保空穴的高效分離與傳輸，同時(shí)還能能夠有效阻擋電子從鈣鈦礦層躍遷至空穴傳輸層，抑制界面電子復(fù)合的發(fā)生；本發(fā)明的另一目的在于提供該空穴傳輸材料的制備方法及其在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，基于本發(fā)明的空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的短路電流密度（J_sc）為23.42 mA cm^-2、開(kāi)路電壓（V_oc）為1.14 V、填充因子（FF）為0.76，最終的光電轉(zhuǎn)化效率（PCE）高達(dá)20.25%。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于茚并[2,1-b]咔唑的空穴傳輸材料，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如式Y(jié)1或Y2所示：

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