一种螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及钙钛矿光伏技术领域，公开了一种螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料及其制备方法和应用，该空穴传输材料的化学结构式为：本发明专利技术的螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料具有良好的空穴迁移率，抑制空穴分子间聚集和减缓电池界面电子复合能力更强，同时具有较高的光热稳定性能；此外，该空穴传输材料制备方法简单，产率高，制备成本低，是一种性能优良的空穴传输材料，以其作为空穴传输层应用到钙钛矿太阳能电池中，能够获得超过18％的光电转化效率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池
，特别涉及一种螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]日益增长的能源需求，传统化石能源的枯竭，使人类不得不探索出一种新型可持续的能源，为将来的能源枯竭提前做好准备。太阳能作为一种最常见的可持续能源，近些年来逐渐成为科学家们的研究热点。如何高效并且低成本的利用太阳能，成为人们关注的重点。目前在实际生产和大规模应用中占据主导地位的太阳能电池主要由无机半导体材料组成，主要包括单晶硅、多晶硅和非晶硅无机太阳能电池。其中硅基太阳能电池已经发展较为成熟，但是由于硅复杂的提纯工艺，以及昂贵的生产设备，发展受到一定限制。而高效的非晶硅太阳能电池大多含有镉、砷等毒性重金属元素，会造成严重的环境污染，必然不受到欢迎。科学家们陆续开发出各种新型太阳能电池，包括有机太阳能电池(OPV)、染料敏化太阳能电池(DSSC)，量子点太阳能电池和本课题研究的钙钛矿太阳能电池等
[]。其中钙钛矿太阳能电池具有与硅太阳能电池相媲美的光电转换效率，并且制备工艺简单，成本相对较低，发展潜力巨大。
[0003]螺芴氧杂蒽(SFX)与常用螺二芴(Spiro)相比，具有较低的成本，更高的空穴迁移率，基于螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料是一种十分有前景的有机光电材料。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料及其制备方法和应用，螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料具有良好的空穴提取能力，抑制钙钛矿电池界面电子复合能力更强，同时具有较高的光热稳定性能。此外，该空穴传输材料制备方法简单，产率高，制备成本低，是一种性能优良的光电材料，以其作为空穴传输层应用到钙钛矿太阳能电池中，能够获得超过18％的光电转化效率。
[0005]技术方案：本专利技术提供了一种螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料，具有式(13)的化学结构式：
[0006][0007]本专利技术进一步提供了上述式(13)化合物的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1：使式(1)化合物发生甲基化反应生成式(2)化合物；
[0009][0010]S2：使式(2)化合物和式(3)化合物发生Buchwald-Hartwig偶联反应生成式(4)化合物；
[0011][0012]S3：使式(5)化合物和式(6)化合物发生关环反应生成式(7)化合物；
[0013][0014]S4：使式(4)化合物和式(7)化合物发生Buchwald-Hartwig偶联反应生成式(8)化合物；
[0015][0016]S5：使式(9)化合物和式(10)化合物发生Buchwald-Hartwig偶联关环反应生成式(11)化合物；
[0017][0018]S6：使式(11)化合物通过低温反应生成式(12)化合物；
[0019][0020]S7：使式(12)化合物和式(8)化合物发生Still偶联反应生成式(13)化合物，即螺
芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料。
[0021][0022]优选地，在所述S1中，常温条件下，将碘甲烷入到式(1)化合物的二甲基亚砜(DMSO)碱性溶剂中，反应3～6h得到式(2)化合物，其中参与反应的化合物用量以物质的量衡算标准计，式(I)化合物∶碘甲烷＝1∶1～2。
[0023]优选地，在所述S2中，惰性气体保护下，将式(2)化合物、对茴香胺、钯催化剂、有机磷配体、碱和无水甲苯加到反应容器中，加热反应12～24h得到式(4)化合物，其中参与反应化合物用量以物质的量衡算标准计，式(2)化合物∶对茴香胺∶钯催化剂∶有机磷配体∶碱＝1∶1～3∶0.02～0.1∶0.05～0.2∶2～8。
[0024]优选地，在所述S3中，惰性气体保护下，将式(5)化合物、式(6)化合物、对甲基磺酸加到反应容器中，加热反应12～24h得到式(7)化合物，其中参与反应化合物用量以物质的量衡算标准计，式(5)化合物∶式(6)化合物∶对甲基磺酸＝1∶4～10∶2～8。
[0025]优选地，在所述S4中，惰性气体保护下，将式(4)化合物、式(7)化合物、钯催化剂、有机磷配体、碱和无水甲苯加到反应容器中，加热反应12～24h得到式(8)化合物，其中参与反应化合物用量以物质的量衡算标准计，式(4)化合物∶式(7)化合物∶钯催化剂∶有机磷配体∶碱＝1∶1～3∶0.02～0.1∶0.05～0.2∶2～8。
[0026]优选地，所述钯催化剂为氯化钯、三(二亚苄基丙酮)二钯、[1，1
′-
双(二苯基膦基)二茂铁]二氯化钯或四三苯基磷钯；所述有机膦配体为2-二环己基膦-2，4，6-三异丙基联苯、三叔丁基膦或1，1
′-
双(二苯基膦)二茂铁；所述碱为碳酸钾、叔丁醇钠或叔丁醇钾。
[0027]优选地，在所述S5中，惰性气体保护下，将式(9)化合物、式(10)化合物、钯催化剂、有机磷配体、碱和无水甲苯加到反应容器中，加热反应12～24h得到式(11)化合物，其中参与反应化合物用量以物质的量衡算标准计，式(9)化合物∶式(10)化合物∶钯催化剂∶有机磷配体∶碱＝1∶1～3∶0.02～0.1∶0.05～0.2∶2～8。
[0028]优选地，在所述S6中，惰性气体保护以及低温条件下，将式(11)化合物、无水四氢呋喃(THF)、正丁基锂、三丁基氯化锡依次加到反应容器中，常温反应8～12h得到式(11)化合物，其中参与反应化合物用量以物质的量衡算标准计，式(11)化合物∶正丁基锂∶三丁基氯化锡＝1∶2～3∶2～3。
[0029]优选地，在所述S7中，惰性气体保护下，将式(12)化合物、式(8)化合物、钯催化剂、无水甲苯加到反应容器中，加热反应12～24h得到式(13)化合物，其中参与反应化合物用量以物质的量衡算标准计，式(12)化合物∶式(8)化合物∶钯催化剂＝1∶2～3∶0.02～1。
[0030]本专利技术还进一步提供了上述螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用。
[0031]有益效果：1、本专利技术提供的空穴传输材料是螺芴氧杂蒽取代三芳胺作为电子给体单元，线性平面化噻吩稠杂环作为共轭桥，构建出双体D-π-D型空穴传输材料，具有空穴迁移率高，成膜性好以及光热稳定性强；同时，分子骨架中的长烷基链(或烷氧基链)以及螺芴
构型的加入能够更加有效防止分子自聚集和抑制界面电子复合，显著提升电池的光伏性能；
[0032]2、本专利技术提供的空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用，测试结果表明(如图3)：电池器件短路光电流密度达23.37mA cm-2
，开路电压为1.07mV，填充因子0.73，光电转化效率达到18.22％，对提高钙钛矿太阳能电池效率具有实际意义。
附图说明
[0033]图1为实施例1-4制备的螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料溶解于二氯甲烷溶液(物质的量浓度为2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料及其制备方法和应用，其特征在于：螺芴氧杂蒽(SFX)与常用螺二芴(Spiro)相比，具有较低的成本，更高的空穴迁移率，将其应用于钙钛矿太阳能电池中，得到高的光电转换效率。2.根据权利要求1所述的利用Buchwald-Hartwig偶联反应，Still偶联反应等合成目标化合物，其特征在于：低成本高产率。3.根据权利要求1所述的制备螺芴氧杂蒽三芳胺类空穴传输材料，其特征在于：钯催化剂的用量在0.02eq-0.1eq范围内。4.根据权利要求1所述的制备螺芴氧杂蒽三芳胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁茂，张恒，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：