[發明專利]基于咔唑的有機小分子空穴傳輸材料的合成及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用

有效

• 申請號: 202110268590.6
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113185449B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 華雍;歐陽美;吳太
• 申請（專利權）人: 云南大學
• 主分類號: C07D209/88
• 分類號: C07D209/88;H10K30/40;H10K30/50;H10K85/60
• 代理公司: 昆明祥和知識產權代理有限公司 53114
• 代理人: 和琳

本發明涉及鈣鈦礦太陽能電池材料領域，具體公開一種基于咔唑的有機小分子空穴傳輸材料，本發明利用低溫反應和溴代反應合成出咔唑類中間核心基團片段，再將其與外圍三苯胺小分子通過酰基化反應和偶聯反應合成出最終目標產物OY1、OY2和OY3，通過高分辨質譜表征手段對其結構進行了確認，并將其應用到鈣鈦礦太陽能電池中，且對所合成化合物進行光物理、電化學、本征空穴遷移率和薄膜特性的測試，此外，通過電池器件的輸出電流?電壓、入射單色光子?電子轉化效率和長期穩定性等測試來表征鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能，由于廉價的成本、易化學合成和出色的性能，基于咔唑的有機小分子空穴傳輸材料將成為有力的競爭者。

技術領域

本發明涉及鈣鈦礦太陽能電池材料領域，具體涉及一種基于咔唑的有機小分子空穴傳輸材料的合成及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用。

背景技術

空穴傳輸材料作為一類重要的光電材料，在鈣鈦礦太陽能電池中充當空穴傳輸層，能夠有效地加快界面處的空穴提取和傳輸過程，其性能好壞直接決定著器件的光伏性能。目前最廣泛應用的空穴傳輸材料是2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(Spiro-OMeTAD)，盡管Spiro-OMeTAD具有與?CH₃NH₃PbI₃價帶匹配的最高占據分子軌道能級，較大的帶隙寬度，空穴提取能力強，能夠獲得較高的光電轉化效率，但是其合成復雜，部分反應需要在無水無氧、強酸和侵蝕性液溴等條件下完成，并且總產率低于37％，價格昂貴，因此迫切需要通過分子工程來開發成本低廉、制備簡單且溶解性能好的新型有機小分子化合物來替代Spiro-OMeTAD。

發明內容

為了有效提高電池的光電轉化效率和長期穩定性，本發明提供基于咔唑衍生物作為核心基團，三苯胺小分子作為外圍封端基團的3種有機小分子空穴傳輸材料的分子結構、合成路線與制備細節。

本發明提供的具體技術方案如下：

基于咔唑的有機小分子空穴傳輸材料，選自化合物OY1、OY2、OY3中的至少一個，所述化合物OY1、OY2、OY3的化學結構式如下：

本發明還提供了基于咔唑的有機小分子空穴傳輸材料OY1、OY2、OY3的合成方法，所述OY1的合成步驟如下：

S1：在氮氣環境下，將9H-咔唑、1-碘-4-甲氧基苯溶于二甲基甲酰胺中，然后加入碳酸鉀、碘化銅、1,10-菲咯啉，在153℃下攪拌回流，反應結束后萃取，減壓蒸餾除去溶劑，粗產物經過柱層析提純得到化合物1；

S2：將化合物1、三氯化鐵溶于三氯甲烷中，在氮氣保護下攪拌數個小時，反應結束萃取、干燥并經過柱層析純化獲得化合物2；

S3：將化合物2溶于三氯甲烷溶液中，攪拌至完全溶解后使用冰水冷卻混合溶液至0℃，分多次添加N-溴代丁二酰亞胺，室溫攪拌，反應結束萃取，然后干燥經過柱色譜法純化得到化合物3；

S4：在氮氣環境下，將化合物3、4,4’-二甲氧基二苯胺、叔丁醇鈉溶于無水甲苯中，隨后加入醋酸鈀，三叔丁基膦，攪拌回流，反應結束后冷卻至室溫，萃取，減壓蒸餾除去溶劑，粗產物經柱層析提純得到OY1。

所述OY2的合成步驟如下：

S1：將9-(4-溴苯基)-9H-咔唑溶于四氫呋喃中，攪拌，冰水冷卻混合溶液至0℃，多次少量加入N-溴代丁二酰亞胺，室溫攪拌，反應結束，萃取干燥并經過柱色譜法純化獲得化合物4；

S2：氮氣條件下，化合物4、4,4’-二甲氧基二苯胺、叔丁醇鈉溶于無水甲苯中，隨后加入醋酸鈀，三叔丁基膦，攪拌回流，反應結束后冷卻至室溫，萃取，減壓蒸餾除去溶劑，粗產物經柱層析提純得到OY2。

所述OY3的合成步驟如下：