[發明專利]基于環戊基二噻吩有機單分子空穴傳輸層材料及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用

在審

• 申請號: 202310065137.4
• 申請日: 2023-01-17
• 公開（公告）號: CN116063319A
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 張婧;陳子寅;周川棫;袁寧一;丁建寧
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C07D495/04
• 分類號: C07D495/04;H10K85/60;H10K30/50;H10K30/86;H10K71/12;H10K71/40;H10K85/50
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 李楠

本發明屬于有機功能材料技術領域，涉及基于環戊基二噻吩有機單分子空穴傳輸層材料及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用，本發明公開了一系列以環戊[2,1?b；3,4?b']二噻吩為中心單元的有機分子材料，結構通式所示，并將分子材料作為無摻雜單分子空穴傳輸層在平面鈣鈦礦太陽能電池中進行應用。基于此系列材料的平面鈣鈦礦太陽能電池，能量轉換效率最高可以達到20.77％。

技術領域

本發明屬于有機功能材料技術領域，具體涉及有機分子材料的設計、作為空穴傳輸層的應用以及單分子層薄膜制備工藝的開發，本發明公開了三種有機分子材料的結構，選取環戊基[2,1-b:3,4-b']二噻吩為中心單元，兩端對稱連接雙甲硫基-二苯胺或三苯胺，將有機分子材料作為單分子空穴傳輸層在鈣鈦礦太陽能電池中進行應用。

背景技術

近年來，有機-無機鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)發展迅速，在十年左右的時間里，科學家們對鈣鈦礦太陽能電池進行了不斷深入的探索研究，目前該類型電池效率已超過25％(H.Min,T.J.Shin,S.Seoket?al.Perovskite?solar?cells?with?atomically?coherentinterlayers?on?SnO₂electrodes,Nature,2021,598,444-450)。在PSCs中，空穴傳輸材料(HTM)起到從鈣鈦礦活性層到對電極提取和傳輸空穴的關鍵作用。同時，在PSCs的常見結構中，倒置器件結構(p-i-n)鈣鈦礦PSCs被認為是最有前途的商業結構，因為其低溫工藝不需要高溫燒結，而且幾乎沒有滯后。其中，聚合物PTAA(聚[雙(4-苯)(2,4,6-三甲基苯)胺)是目前p-i-n平面結構PSCs中已實現商業化的標準空穴傳輸材料，基于其的PSCs的最高效率可以達到22％，但是得到高效率往往需要對PTAA進行表面浸潤處理或者添加摻雜劑來提升其空穴提取傳輸效率。而添加劑的存在會大大影響器件的穩定性，不利于鈣鈦礦太陽能電池的商業化發展。我們的目標是設計合成不需要添加劑以及表面處理工藝的有機小分子材料取代PTAA，在提升光電轉化效率的同時提高相應器件的穩定性。同時，有機小分子可以通過特定的元素基團與ITO相互作用，制備單層膜，可以更穩定地覆蓋界面接觸，鈍化界面接觸，減少輻射復合，為鈣鈦礦太陽能電池的商業化提供充足的材料選擇。

發明內容

本發明目的是提供三種以環戊基[2,1-b:3,4-b']二噻吩為中心基元、兩端對稱連接雙甲硫基-二苯胺或三苯胺的可溶性有機分子材料CPDTE-MTP、CPDT-MTP和CPDT-PMTP及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應用以及單分子層薄膜制備工藝的開發。本發明所提供的有機分子材料的結構通式如式Ⅰ所示：

(式Ⅰ)

根據式Ⅰ合成出一種含有環戊基[2,1-b:3,4-b']二噻吩的新材料，作為無摻雜單分子空穴傳輸層在平面鈣鈦礦太陽能電池中進行應用。

光伏器件在空穴傳輸層制備過程中，先將含有環戊基[2,1-b:3,4-b']二噻吩單元有機分子材料溶解在有機溶劑中得到高濃度空穴傳輸層溶液(10mg/ml)，旋涂后退火，經溶劑沖洗后得到單分子層型非摻雜空穴傳輸層。

進一步，具體的以CPDTE-MTP、CPDT-MTP和CPDT-PMTP為單分子空穴傳輸層制備基于CH₃NH₃PbI_3-xCl_x鈣鈦礦太陽能電池器件的具體結構為：ITO/CPDTE-MTP、CPDT-MTP或CPDT-PMTP/CH₃NH₃PbI_3-xCl_x/C₆₀/BCP/Ag。

本發明的有益效果：