一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料的制备及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料的制备及应用，属于钙钛矿太阳能电应用领域。本发明专利技术所述的空穴传输材料合成路线简单，成本低廉、溶解度好、易于纯化、稳定性好可作为空穴传输材料应用于平面钙钛矿太阳能电池。采用本发明专利技术设计合成的一种以咪唑衍生物为核有机空穴传输材料制备的平面钙钛矿太阳能电池表现出较高的光电转换效率，良好的稳定性。本发设计合成的一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料为平面钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料供了新的设计思路。

【技术实现步骤摘要】
一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料的制备及应用
本专利技术属于有机光电功能材料
，具体涉及一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料及其制备方法，以及在平面钙钛矿太阳能电池中的应用。
技术介绍
钙钛矿太阳能电池在过去十年时间内取得了突飞猛进的发展，目前实验室光电转换效率记录已经超过25％(www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html)。钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的太阳能发电技术为光伏产业技术变革带了新的希望，具有广泛的应用前景。作为钙钛矿太阳能电池中重要的组成部分，空穴传输材料(HTM)的性能对电池光电转换效率及稳定性具有重要影响，开发和设计制备简单且性能优异的空穴传输层材料是钙钛矿太阳能电池研究领域的研究重点之一，对推动钙钛矿太阳能电池产业化进程具有非常重要的意义。目前，已报道的应用于平面钙钛矿太阳能电池且获得较高光电转换效率的空穴传输材料大多为聚合物空穴传输材料PTAA(聚[双(4-苯基)(2，4，6-(三甲基苯基)胺])和有机小分子空穴传输材料Spiro-OMeTAD(2，2′，7，7′-四[N，N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)这两种材料。然而PTAA和Spiro-OMeTAD由于自身导电性较差、空穴迁移率较低，需要使用P型掺杂剂和添加剂，如叔丁基吡啶(TBP)，双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)等，来提高空穴传输层的导电性能。然而这些掺杂剂和添加剂的使用一方面会降低电池的稳定性，另一方面还增加了电池的制作成本。此外Spiro-OMeTAD合成和提纯工艺较为复杂，进一步增大了电池的制作成本。因此，设计开发制备简单，易提纯，成膜性好，性能优异且稳定性高的非掺杂空穴传输材料对钙钛矿太阳能电池走向商业化应用具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术通过分子设计，以咪唑衍生物为核心砌块，通过芳胺取代基团的引入构建了新型的有机空穴传输材料。该材料分子能级与钙钛矿材料相匹配、溶解性好，稳定性高，能作为空穴传输材料应用于平面钙钛矿太阳能电池中。空穴传输材料IBR-OMeTPA、IPR-OMeTPA可以在不使用掺杂剂和添加剂的条件下应用于钙钛矿太阳能电池的制备，获得了较高光电转换效率的，提高了电池的稳定性，并且降低了制作成本，具有潜在的应用价值。本专利技术的另一目的在于提供了一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料的制备方法，其制备操作过程简单、反应条件温和、产率较高、提纯工艺简单，具有较高的应用价值。本专利技术提供的一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料，其结构通式I：所述的一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料IBR-OMeTPA、IBR-OMeTPA的合成方法为：4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛分别与4，4′-二溴苯偶酰、3，6-二溴菲醌反应生成中间体IB-H、IP-H；中间体IB-H、IP-H分别与C1～C12任意直链烷烃反应生成中间体IB-R、IP-R；中间体IB-R、IP-R分别与芳胺硼酸酯反应生成目标有机空穴传输材料IBR-OMeTPA、IPR-OMeTPA。(1)参考文献方法(ACSAppl.Mater.Interfaces2017，9，13231-13239)，将4-甲氧基-N-(4-甲氧基苯基)-N-苯基苯胺加入到冰浴的DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，随后将三氯氧磷逐滴加入到混合溶液中，继续反应半小时后后，升温至90℃，继续反应3h，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛。(2)将4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛，4，4′-二溴苯偶酰加入到含乙酸铵的冰醋酸溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，之后加热，待反应结束后，冷却至室温并过滤，所得滤渣再用乙醇清洗，随后干燥，得到中间体IB-H。(3)将中间体IB-H、NaH，迅速加入到无水DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌半小时，随后将C1～C12任意直链烷烃逐滴加入到混合溶液中，保持搅拌并加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到中间体IB-R。(4)将中间体IB-R，芳胺硼酸酯，磷酸钾，四(三苯基膦)钯加入到DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，随后加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料IBR-OMeTPA。(5)将4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛，3，6-二溴菲醌加入到含乙酸铵的冰醋酸溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，之后加热，待反应结束后，冷却至室温并过滤，所得滤渣再用乙醇清洗，随后干燥，得到中间体IP-H。(6)将中间体IP-H、NaH，迅速加入到无水DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌半小时，随后将C1～C12任意直链烷烃逐滴加入到混合溶液中，保持搅拌并加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到中间体IP-R。(7)将中间体IP-R，芳胺硼酸酯，磷酸钾，四(三苯基膦)钯加入到DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，随后加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料IPR-OMeTPA。合成流程为式II：步骤(1)中4-甲氧基-N-(4-甲氧基苯基)-N-苯基苯胺与三氯氧磷的摩尔比为1∶1.6，反应温度为90℃，反应时间为3h。步骤(2)中4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛，4，4′-二溴苯偶酰，乙酸铵的摩尔比为1∶1∶10～20，反应温度为100～140℃，反应时间为20～36h。步骤(3)中，IB-H、NaH、C1～C12任意直链烷烃的摩尔比为1∶1～3∶2，反应温度为60～90℃，反应时间为8～20h。步骤(4)中，IB-R、芳胺硼酸酯的摩尔比为1∶2～4，反应温度为80～110℃，反应时间为10～24h。步骤(5)中4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛，3，6-二溴菲醌，乙酸铵的摩尔比为1∶1∶10～20，反应温度为100～140℃，反应时间为20～36h。步骤(6)中，IP-H、NaH、C1～C12任意直链烷烃的摩尔比为1∶1～3∶2，反应温度为60～90℃，反应时间为8～20h。步骤(7)中，IP-R、芳胺硼酸酯的摩尔比为1∶2～4，反应温度为80～110℃，反应时间为10～24h。将本专利技术制得的一种以咪唑衍生物为核本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料，其特征在于，具有式I的化学结构通式：/n

【技术特征摘要】
1.一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料，其特征在于，具有式I的化学结构通式：



式I，R为C1～C12直链烷烃的任意一种。


2.根据权利要求1所述的一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料IBR-OMeTPA、IPR-OMeTPA的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛分别与4，4’-二溴苯偶酰、3，6-二溴菲醌反应生成中间体IB-H、IP-H；中间体IB-H、IP-H分别与C1～C12任意直链烷烃反应生成中间体IB-R、IP-R；中间体IB-R、IP-R分别与芳胺硼酸酯反应生成目标有机空穴传输材料IBR-OMeTPA、IPR-OMeTPA。



(1)4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛可参考文献(ACSAppl.Mater.Interfaces2017，9，13231-13239)制备；
(2)中间体IB-H的制备：将4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛，4，4′-二溴苯偶酰加入到含乙酸铵的冰醋酸溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，之后加热，待反应结束后，冷却至室温并过滤，所得滤渣再用乙醇清洗，随后干燥，得到中间体IB-H；
(3)中间体IB-R的制备：将中间体IB-H、NaH，迅速加入到无水DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌半小时，随后将C1～C12任意直链烷烃逐滴加入到混合溶液中，保持搅拌并加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到中间体IB-R；
(4)IBR-OMeTPA的制备：将中间体IB-R，芳胺硼酸酯，磷酸钾，四(三苯基膦)钯加入到DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，随后加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料IBR-OMeTPA。
(5)中间体IP-H的制备：将4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯甲醛，3，6-二溴菲醌加入到含乙酸铵的冰醋酸溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，之后加热，待反应结束后，冷却至室温并过滤，所得滤渣再用乙醇清洗，随后干燥，得到中间体IP-H；
(6)中间体IP-R的制备：将中间体IP-H、NaH，迅速加入到无水DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌半小时，随后将C1～C12任意直链烷烃逐滴加入到混合溶液中，保持搅拌并加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到中间体IP-R；
(7)IPR-OMeTPA的制备：将中间体IP-R，芳胺硼酸酯，磷酸钾，四(三苯基膦)钯加入到DMF溶液中，在氮气保护下均匀搅拌，随后加热，反应过夜，待反应结束后，冷却至室温，加入水，二氯甲烷萃取，再用饱和食盐水清洗，收集有机相，加入无水硫酸钠干燥后，减压除去有机溶剂，将所得固体分离提纯，真空干燥，得到一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料IPR-OMeTPA。


3.根据权利要求2所述的一种以咪唑衍生物为核的有机空穴传输材料IBR-OMeTPA、IPR-OMeTPA的制备方法，其特征在于，所述合成方法中：步骤(1)中4-甲氧基-N-(4-甲氧基苯基)-N-苯基苯胺与三氯氧磷的摩尔比为1∶1.6，反应温度为90℃，反应时间为3h。


4.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建，吕光宇，石恒，邢洁妮，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32