[發(fā)明專利]一種以吡咯并吡咯為核心結構的有機小分子功能材料的制備方法及其用途

有效

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• 申請日: 2020-02-13
• 公開（公告）號: CN111333654B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設計）人: 程明;陳承;薩蒂揚·戈文達薩米
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C07D487/04
• 分類號: C07D487/04;H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48
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本發(fā)明屬于有機功能材料領域，涉及一種以吡咯并吡咯為核心結構的有機小分子材料的制備方法及其用途；步驟為：將2,3,4,5,6?五氟苯胺、4?吡啶甲醛及對甲苯磺酸水合物加入到冰醋酸溶液中，升溫反應后滴加2,3?丁二酮，反應后冷卻至室溫，并傾倒在水溶液中，調節(jié)pH至中性，經(jīng)萃取后收集有機層并干燥，再經(jīng)過濾、減壓移去溶劑，得到產(chǎn)物用硅膠柱層析分離提純，真空干燥后得到有機小分子功能材料，記為PFPPY；并以PFPPY為材料制備鈣鈦礦太陽能電池和反式鈣鈦礦太陽能電池，具有高效、高穩(wěn)定性且低成本的優(yōu)點。

技術領域

本發(fā)明屬于有機功能材料領域，涉及一種以吡咯并吡咯為核心結構的有機小分子材料的制備方法，及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用。

背景技術

近年來，鈣鈦礦太陽能電池由于其低廉的制備成本，簡單的制備工藝及高效率，使其成為科研領域內的一大研究熱點。鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展迅猛，2009年其效率僅為3.8％，經(jīng)過短短十年，到2019年其效率已突破至25.2％。鈣鈦礦太陽能電池的高速發(fā)展是源于有機-無機雜合鈣鈦礦材料固有獨特的性質，如較高的摩爾消光系數(shù)、易于調節(jié)的能帶位置、較長的載流子擴散長度及較高載流子遷移率。盡管鈣鈦礦太陽能電池的光電性能已接近于硅太陽能電池，但是高效率兼具高穩(wěn)定性仍然是鈣鈦礦太陽能電池商業(yè)化生產(chǎn)的一大挑戰(zhàn)。

目前，已有實驗表明常用的空穴傳輸層是一把雙刃劍。一方面，空穴傳輸層的引入有益于空穴的抽取與傳輸，抑制電荷復合及防止鈣鈦礦對金屬對電極的腐蝕；但是另一方面，空穴傳輸層中的添加劑及摻雜劑固有的一些性質會增加電池器件的不穩(wěn)定性。例如，液體添加劑4-叔丁基吡啶(t-BP)在空穴傳輸層的制備過程及對電極蒸鍍過程中極易揮發(fā)，揮發(fā)后會在空穴傳輸層表面留下很多孔洞，而水蒸氣可以通過這些孔洞滲過空穴傳輸層進而降解鈣鈦礦。同時，t-BP對鈣鈦礦具有一定的腐蝕性，也會降低電池器件的穩(wěn)定性。另一種添加劑雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰(Li-TFSI)具有較強的吸濕性，會對電池器件的穩(wěn)定性造成不利影響。而對于常用的P型摻雜劑FK209來說，它較難改善空穴傳輸層的不穩(wěn)定因素，而且它的合成過程比較復雜且成本較高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)應用。因此，空穴傳輸層組分的調控對于構建高效且穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池是十分必要的。

同時，在鈣鈦礦吸收層表面及晶界處存在很多缺陷，這些缺陷對水與氧氣極其敏感，易與其反應進而使鈣鈦礦發(fā)生降解，降低電池的穩(wěn)定性。因此，需要引入一些有機聚合物或小分子材料通過化學鍵合或物理覆蓋等方式，對鈣鈦礦表面進行修飾，鈍化缺陷，隔離水汽，進而提升電池器件的穩(wěn)定性。

基于上述考慮，本發(fā)明通過分子工程手段設計開發(fā)了一種以吡咯并吡咯為核心結構的有機小分子功能材料，并成功將其應用于鈣鈦礦太陽能電池的不同功能層中。提出一種以吡咯并吡咯為核心結構的有機小分子功能材料的合成方法，以及基于此種有機小分子功能材料的高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池的制備方法。截止目前為止，此種有機小分子功能材料及基于此種有機小分子功能材料的鈣鈦礦太陽能電池尚未見報道。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種新型的以吡咯并吡咯為核心結構的有機小分子功能材料，提出基于此種有機功能材料的高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。所述的有機功能材料采用吡咯并吡咯(PPY)為核心基團，在兩個N取代位連接五氟化苯，在2,5取代位連接吡啶基團。鑒于此類材料的出色特性，其可以以不同的方式應用于鈣鈦礦太陽能電池中。例如，此類材料具有優(yōu)異的P型性質，可以成功氧化空穴傳輸材料2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)，作為一種P型摻雜劑應用于鈣鈦礦太陽能電池中；此類材料具有較強的疏水性，且吡啶基團可以有效鈍化鈣鈦礦表面的缺陷，可以作為界面修飾層應用于鈣鈦礦太陽能電池中。

為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

首先提供一種以吡咯并吡咯為核心結構的有機小分子功能材料，化學名稱為1,4-雙(五氟苯基)-2,5-二(對吡啶基)-1,4-二氫吡咯[3,2-b]并吡咯，簡稱PFPPY，結構式為：