[發明專利]一種空穴傳輸材料及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用

有效

• 申請號: 202010518913.8
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111848422B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 郭鹍鵬;田霞;李斌;梁效中;李達;單玲玲;劉素平
• 申請（專利權）人: 山西美意呈科技有限公司
• 主分類號: C07C217/84
• 分類號: C07C217/84;C07D209/88;C07D311/96;H01L51/48;H01L51/46;H01L51/42
• 代理公司: 太原榮信德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14119
• 代理人: 楊凱;連慧敏

本發明涉及鈣鈦礦太陽能電池中新型空穴傳輸材料技術領域，具體涉及一種空穴傳輸材料及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用，分別以螺二芴，雙咔唑和螺[芴?9.9'?氧雜蒽]作為中心核，含CF₃衍生物修飾的二苯胺衍生物為外圍封端基團，設計并合成一類用于制備高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料。其用于制備高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料，制備工藝簡單、原料易得、價格低廉，非常適宜工業化生產。所制備的電池具有更低的HOMO能級，有利于提高器件的開路電壓；良好的疏水性，有利于提高器件的穩定性；較高的空穴遷移率。其器件的光電轉換效率可以達到20.58％和20.53％。

技術領域

本發明涉及鈣鈦礦太陽能電池中新型空穴傳輸材料技術領域，更具體而言，涉及一種空穴傳輸材料及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用。

背景技術

鈣鈦礦太陽能電池從最初的一個科學設想逐漸成為光伏領域的佼佼者。其中，有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池由于成本低廉、制備簡單、質量輕、適合大規模生產而備受矚目。同時，鈣鈦礦太陽能電池的器件效率提升速度也較快。最近的十幾年間，鈣鈦礦太陽能電池的認證效率已從3.8％提升到25.2％，有望成為第一代硅基太陽能電池的替代品，具有潛在的商業化應用前景。鈣鈦礦太陽能電池的器件結構主要有三種：介觀結構，平面結構(n-i-p)以及反式平面結構(p-i-n)。在這三種器件結構中，空穴傳輸層都起到了提取、傳輸空穴，阻擋鈣鈦礦層直接與外部環境相接觸(例如：濕氣，氧氣等)的作用。因此，空穴傳輸材料性能的好壞直接影響了鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩定性。根據材料種類的不同，空穴傳輸材料分為三大類：無機空穴傳輸材料，聚合物空穴傳輸材料以及有機小分子空穴傳輸材料。無機空穴傳輸材料表面缺陷多，沉積時使用的溶劑會使部分鈣鈦礦發生溶解，導致器件穩定性降低。聚合物空穴傳輸材料提純困難，溶解性低，分子量難以確定。而有機小分子空穴傳輸材料合成簡單，成本低廉，性能易于調控成為人們研究的熱點。其中，商業的2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)合成復雜，價格昂貴，空穴遷移率較低而阻止了其大規模的應用。因此，開發低成本、高效的有機小分子空穴傳輸材料對推進鈣鈦礦太陽能電池達到商業化應用起到了至關重要的作用。

高性能的空穴傳輸材料應該具備合成簡單、價格低廉、與鈣鈦礦材料相匹配的能級、良好的熱穩定性和化學穩定性，特別是良好的疏水性以及高的空穴遷移率等特點。先前的研究表明通過“N-N”鍵將兩個咔唑單元連接起來得到的雙咔唑具有高度垂直扭曲的空間結構，這與螺二芴的空間結構較為相似。但是，雙咔唑合成簡單，價格低廉，有望在之后的空穴傳輸材料發展中替代螺二芴。為了提高分子的性能，人們希望將更多具有特定功能的基團引入到分子結構中。因此，本發明利用三氟甲基(CF₃)好的疏水性和一定的拉電子能力，將CF₃衍生物引入到二苯胺衍生物中作為封端基團合成一類新的化合物，并將這些化合物作為空穴傳輸材料制備高性能鈣鈦礦太陽能電池。

本發明將螺二芴，雙咔唑和螺[芴-9.9’-氧雜蒽]分別作為中心核，CF₃衍生物修飾的二苯胺衍生物為外圍封端基團，設計并合成一類用于制備高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料。

發明內容

為了克服現有技術中存在的問題，本發明分別以螺二芴，雙咔唑和螺[芴-9.9'-氧雜蒽]作為中心核，含CF₃衍生物修飾的二苯胺衍生物為外圍封端基團，設計并合成一類用于制備高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料。本發明的材料具有良好的疏水性和高的空穴遷移率的特點，可作為空穴傳輸材料制備高效、穩定鈣鈦礦太陽能電池。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種空穴傳輸材料，具有式I所示結構：

其中，R為含CF₃的脂肪族或芳香族基團，Core基團為含扭曲結構芳香環的化合物。