[發明專利]一種咔唑類空穴傳輸材料及其合成方法和應用

在審

• 申請號: 202210332534.9
• 申請日: 2022-03-31
• 公開（公告）號: CN114805324A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 孟晉為;陳承;程明;夏子洋;何志霞
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C07D409/14
• 分類號: C07D409/14;H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48
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本發明屬于太陽能電池技術領域，公開了一種咔唑類空穴傳輸材料及其合成方法，及其應用于Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦太陽能電池中的用途。本發明的咔唑類空穴傳輸材料，以噻吩為核心結構，以咔唑衍生物為橋連基團，以N?(9,9?二甲基?9H?3?芴)?4?甲氧基苯胺為端基基團。首先2，5?二溴噻吩與化合物1發生Suzuki偶聯反應，得到中間體2；中間體2經過溴化反應得到中間體3；然后中間體3與反應物4發生Buchwald?Hartwig偶聯反應，得到最終產物PTDCZ?TFNP。PTDCZ?TFNP與Spiro?OMeTAD空穴傳輸層構筑雙空穴傳輸層，應用于Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦太陽能電池中，優化了器件內部的能級排布，提升了電荷抽取與傳輸性能，避免了內部能量的損失，進而大幅度提升了電池的效率和穩定性。

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，涉及一種咔唑類空穴傳輸材料及其合成方法，及其應用于Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦太陽能電池中的用途。

背景技術

近年來，有機-無機雜化鉛鹵鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)不斷取得突破，已受到全世界的廣泛關注。迄今為止，單結PSCs的最高認證光電轉換效率(PCE)已達到25.7％(Min,H.；Lee,D.Y.；Kim,J.；Kim,G.；Lee,K.S.；Kim,J.；Paik,M.J.；Kim,Y.K.；Kim,K.S.；Kim,M.G.；Shin,T.J.；Il Seok,S.Nature 2021,598,444.)。然而，穩定性和鉛毒性是限制其走向商業化的兩大關鍵性因素。針對這一問題，近年來人們致力于尋求開發穩定的非鉛基鈣鈦礦材料來替代傳統的鉛基鈣鈦礦材料，其中Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦具有化學結構穩定、光電性能優異和環境友好等優點，是一種有潛力的非鉛基鈣鈦礦材料候選者，遂成為鈣鈦礦太陽能電池領域的研究熱點之一(Slavney,A.H.；Hu,T.；Lindenberg,A.M.；Karunadasa,H.I.J.Am.Chem.Soc.2016,138,2138；Longo,G.；Mahesh,S.；Buizza,L.R.V.；Wright,A.D.；Ramadan,A.J.；Abdi-Jalebi,M.；Nayak,P.K.；Herz,L.M.；Snaith,H.J.ACS EnergyLett.2020,5,2200.)。目前，Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉換效率僅為3.11％(基于光敏染料和Cs₂AgBiBr₆光吸收層的電池最高效率為4.23％)，與理論極限效率8％仍有很大差距(Wang,B.；Li,N.；Yang,L.；Dall'Agnese,C.；Jena,A.K.；Sasaki,S.I.；Miyasaka,T.；Tamiaki,H.；Wang,X.F.J.Am.Chem.Soc.2021,143,2207；Sirtl,M.T.；Hooijer,R.；Armer,M.；Ebadi,F.G.；Mohammadi,M.；Maheu,C.；Weis,A.；van Gorkom,B.T.；S.；Janssen,R.A.J.；Mayer,T.；Dyakonov,V.；Tress,W.；Bein,T.Adv.EnergyMater.2022,12,2103215.)。目前，限制Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦電池效率提升的主要因素之一是Cs₂AgBiBr₆雙鈣鈦礦材料與傳統空穴傳輸材料2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)的能級失配問題；同時，亦有研究表明Spiro-OMeTAD空穴傳輸層中的添加劑鋰鹽具有較強的親水性，是導致鈣鈦礦分解的主要原因之一(Yang,X.；Chen,Y.；Liu,P.；Xiang,H.；Wang,W.；Ran,R.；Zhou,W.；Shao,Z.Adv.Funct.Mater.2020,30,2001557；Liu,C.；Igci,C.；Yang,Y.；Syzgantseva,O.A.；Syzgantseva,M.A.；Rakstys,K.；Kanda,H.；Shibayama,N.；Ding,B.；Zhang,X.；Jankauskas,V.；Ding,Y.；Dai,S.；Dyson,P.J.；Nazeeruddin,M.K.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.2021,60,20489.)。