一种非外围取代的可溶性金属酞菁及其合成方法和应用、一种钙钛矿太阳能电池技术

本发明专利技术提供了一种非外围取代的可溶性金属酞菁及其合成方法和应用、一种钙钛矿太阳能电池，属于太阳能电池技术领域。本发明专利技术提供的非外围取代的可溶性金属酞菁具有式I所示结构，其在非外围位点引入8个硫基长链烷烃进行修饰，能够对钙钛矿吸光层起到钝化和保护作用，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性；硫基长链烷烃中的硫原子与钙钛矿具有强相互作用，可以提高空穴提取效率；同时硫基长链烷烃能够提高酞菁的疏水性能，有利于实现酞菁对钙钛矿层隔绝水氧的封装作用。本发明专利技术提供的合成方法操作简单，原料成本低廉，易于规模制备，有利于实现材料及器件的商业化。材料及器件的商业化。材料及器件的商业化。

【技术实现步骤摘要】
一种非外围取代的可溶性金属酞菁及其合成方法和应用、一种钙钛矿太阳能电池


[0001]本专利技术涉及太阳能电池
，特别涉及一种非外围取代的可溶性金属酞菁及其合成方法和应用、一种钙钛矿太阳能电池。

技术介绍

[0002]随着全球化石能源消耗量急剧增加，太阳能电池越来越凸显出其重要性。十年前国外首次报道了使用钙钛矿作为光吸收材料的光伏电池，但当时的光电转换效率仅为3.9％而且稳定性差。从此研究者们一直致力于提高钙钛矿太阳能电池(PSCs)的效率和稳定性，目前PSCs的最高光电转换效率已经达到24.2％，与最初开发的PSCs相比具有更高的效率。但由于钙钛矿材料暴露在空气中遇到水氧时会迅速降解，PSCs的不稳定性问题仍未完全解决，限制了这类太阳能电池的商业化进程。
[0003]到目前为止，国内外已开发出许多有机小分子、有机金属、聚合物和无机空穴传输材料以提高钙钛矿器件的光电转换效率和稳定性。其中，性能比较高的钛矿太阳能电池大多使用2,2',7,7'-四(N,N-二-对甲氧基苯胺)-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)作为空穴传输材料。由于Spiro-OMeTAD的合成和纯化步骤很繁琐，导致其价格非常昂贵；同时，为了实现钙钛矿太阳能电池的高性能，必须在Spiro-OMeTAD中添加化学p型掺杂剂，而这又会增加钙钛矿材料的吸湿性，加速钙钛矿材料的降解，从而导致器件的稳定性降低。因此需要进一步研究开发新型的空穴传输材料，以获得具有相当长期稳定性的高性能钛矿太阳能电池。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种非外围取代的可溶性金属酞菁及其合成方法和应用。本专利技术提供的非外围取代的可溶性金属酞菁在空气环境中稳定性高，成膜性好，作为钙钛矿太阳能电池空穴传输材料时，能够提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种非外围取代的可溶性金属酞菁，具有式I所示结构：
[0007][0008]式I中，n＝2～16；M为Cu、Zn、Pd、Pt、Al、V、Ti、Mn、Sn、Pb、Fe、Co、Ni、Mg、In、Ga和Ru中的一种。
[0009]本专利技术提供了上述非外围取代的可溶性金属酞菁的合成方法，包括以下步骤：
[0010](1)2,3-二氰基氢醌与对甲苯磺酰氯进行取代反应，得到3,6-双(4'-甲基苯磺酰氧基)邻苯二甲腈；
[0011](2)3,6-双(4'-甲基苯磺酰氧基)邻苯二甲腈与烷基硫醇进行取代反应，得到3,6-双(烷硫基)邻苯二甲腈；
[0012](3)在催化剂的作用下，使3,6-双(烷硫基)邻苯二甲腈与金属盐发生成环反应，得到非外围取代的可溶性金属酞菁。
[0013]优选的，所述步骤(1)中2,3-二氰基氢醌与对甲苯磺酰氯的质量比为1～2:1～2；所述步骤(1)中取代反应的温度为20～30℃，时间为2～4h。
[0014]优选的，所述步骤(2)中3,6-双(4'-甲基苯磺酰氧基)邻苯二甲腈与烷基硫醇的质量比为4～6:3～6；所述步骤(2)中取代反应的温度为20～30℃，时间为10～18h。
[0015]优选的，所述步骤(3)中的催化剂为DBU；所述金属盐为金属氯化盐、醋酸盐和金属酸盐中的一种或几种，所述金属盐中的金属元素为Cu、Zn、Pd、Pt、Al、V、Ti、Mn、Sn、Pb、Fe、Co、Ni、Mg、In、Ga和Ru中的一种。
[0016]优选的，所述步骤(3)中3,6-双(烷硫基)邻苯二甲腈、金属盐与催化剂的质量比为3～6:0.5～0.8:2～4；所述成环反应的温度为120～160℃，时间为10～16h。
[0017]本专利技术提供了上述非外围取代的可溶性金属酞菁作为钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的应用。
[0018]本专利技术提供了一种钙钛矿太阳能电池，由下至上依次包括透明电极层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极，所述空穴传输层中的空穴传输材料为权利要求1所述的非外围取代的可溶性金属酞菁。
[0019]优选的，所述空穴传输层的厚度为40～80nm。
[0020]优选的，所述钙钛矿吸光层所用钙钛矿的结构通式为ABX
m
Y
3-m
，其中A为CH3NH3、C4H9NH3和NH2＝CHNH2中的一种或几种；B为Pb和\或Sn；X和Y独立地为Cl、Br和I中的一种或几种，且X和Y不相同；m＝1、2或3；
[0021]或者所述钙钛矿吸光层所用钙钛矿的结构通式为Cs
a
(MA
b
FA
1-b
)
1-a
Pb(I
k
Br
1-k
)3，其中MA为CH3NH3；FA为NH2＝CHNH2；a＝0.01～0.06，b＝0.1～0.2，k＝0.8～0.9。
[0022]本专利技术提供了一种非外围取代的可溶性金属酞菁，具有式I所示结构。本专利技术提供的金属酞菁在非外围位点引入8个硫基长链烷烃进行修饰，这种结构在空气环境中稳定性高，能够对钙钛矿吸光层起到钝化和保护作用，提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。同时硫基长链烷烃中的硫原子与钙钛矿具有强相互作用，可以形成钝化，更有利于空穴载流子传输，增强空穴传输层与钙钛矿活性层接触性，提高空穴提取效率；再有，硫基长链烷的引入能够提高酞菁的有机溶解度，从而提高其成膜性，且所得膜材料具有良好的疏水性能。金属酞菁中的中心金属离子可以改变其功函、吸收等性质，从而提高钙钛矿太阳能电池的能量转化效率。
[0023]本专利技术提供了上述非外围取代的可溶性金属酞菁的合成方法，此法操作简单，原料成本低廉，易于规模制备，有利于实现材料及器件的商业化。
[0024]本专利技术还提供了一种钙钛矿太阳能电池，此钙钛矿太阳能电池使用上述非外围取代的可溶性金属酞菁作为空穴传输层的原料，具有良好的稳定性和光电转换效率。
附图说明
[0025]图1是本专利技术钙钛矿太阳能电池的结构图，其中1-透明电极层、2-电子传输层、3-钙钛矿吸光层、4-空穴传输层、5-对电极；
[0026]图2是实施例1所得NP-SC
6-TiOPc的质荷比图；
[0027]图3是旋涂NP-SC
6-TiOPc后的钙钛矿和单独的钙钛矿的X射线衍射图谱；
[0028]图4是NP-SC
6-TiOPc的分子堆积构型图；
[0029]图5是旋涂NP-SC
6-TiOPc后的钙钛矿的原子力显微镜表征图；
[0030]图6是NP-SC
6-TiOPc薄膜的水接触角测试图；
[0031]图7是实施例2和对比例1所得钙钛矿太阳能电池的电流-电压曲线图；
[0032]图8是实施例2和对比例1所得钙钛矿太阳能电池在不同运行时间下的归一化效率曲线图；
[0033]图9是对比例2中未封装钙钛矿吸光层的太阳能电池的光降解图片。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非外围取代的可溶性金属酞菁，其特征在于，具有式I所示结构：式I中，n＝2～16；M为Cu、Zn、Pd、Pt、Al、V、Ti、Mn、Sn、Pb、Fe、Co、Ni、Mg、In、Ga和Ru中的一种。2.权利要求1所述非外围取代的可溶性金属酞菁的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)2,3-二氰基氢醌与对甲苯磺酰氯进行取代反应，得到3,6-双(4'-甲基苯磺酰氧基)邻苯二甲腈；(2)3,6-双(4'-甲基苯磺酰氧基)邻苯二甲腈与烷基硫醇进行取代反应，得到3,6-双(烷硫基)邻苯二甲腈；(3)在催化剂的作用下，使3,6-双(烷硫基)邻苯二甲腈与金属盐发生成环反应，得到非外围取代的可溶性金属酞菁。3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(1)中2,3-二氰基氢醌与对甲苯磺酰氯的质量比为1～2:1～2；所述步骤(1)中取代反应的温度为20～30℃，时间为2～4h。4.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(2)中3,6-双(4'-甲基苯磺酰氧基)邻苯二甲腈与烷基硫醇的质量比为4～6:3～6；所述步骤(2)中取代反应的温度为20～30℃，时间为10～18h。5.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(3)中的催化剂为DBU；所述金属盐为金属氯化盐、醋酸盐和金属酸盐中的一种或几种，所述金属盐中的金属元素为Cu、Zn、Pd、Pt、Al、V、Ti、Mn、Sn、Pb、Fe、Co、Ni、Mg、In、Ga和Ru中的一种。6.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于，所述步骤(3)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：许宗祥，多米尼克，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：