基于苝酰亚胺n型半导体材料及其制备方法与应用技术

本申请公开了一种基于苝酰亚胺n型半导体材料及其制备方法与应用，具体为在苝酰亚胺烷基链和环湾部位引入二甲氨基基团的n型半导体材料及其制备方法，以及其作为阴极界面修饰层材料在钙钛矿太阳能电池中的应用。本申请公开的一种苝酰亚胺n型半导体材料具有可溶液加工、电子迁移率高、热稳定性优异、能级适当、富含氮原子等优点，是理想的钙钛矿太阳能电池电子传输层材料和钙钛矿表面缺陷钝化材料。子传输层材料和钙钛矿表面缺陷钝化材料。子传输层材料和钙钛矿表面缺陷钝化材料。

【技术实现步骤摘要】
基于苝酰亚胺n型半导体材料及其制备方法与应用


[0001]本申请属于材料
，具体涉及一种基于苝酰亚胺n型半导体材料及其制备方法与应用，以及其作为电子传输层和钝化层在钙钛矿太阳能电池中的应用。

技术介绍

[0002]太阳能是取之不尽用之不竭的清洁、绿色能源，近年来随着世界各国对能源问题的重视，太阳能电池成为该领域的研究热点。与传统的半导体太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池具有成本低、效率高、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，具有广阔的发展和应用前景。自2013年以来，钙钛矿太阳能电池(PSC)经历了巨大的发展，其光电转换效率(PCE)高于25％。目前，研究人员专注于PSC的稳定性增强，廉价的大面积制备和柔性器件的制造。为了实现廉价的大面积柔性PSC，倒置结构由于其不含TiO2，可以低温制备，是非常合适制造大面积柔性器件的装置。大量实验证实，优化的典型倒置器件结构：ITO/空穴传输层/钙钛矿/电子传输层/空穴阻挡层/Ag。在这些器件中，采用双层结构作为钙钛矿与Ag之间的界面层是相对复杂的，由C
60
(40nm)和BCP(10nm)组成的50nm厚的界面层还需要通过高真空蒸发来制备，成本较高。PCBM或富勒烯衍生物价格昂贵，长期对光和氧不稳定。为了进一步简化和降低器件制造的成本，提高电池稳定性，探索具有溶液加工性的高效、稳定的电子传输材料或阴极界面修饰层材料以替代这些双层电子传输层具有重要意义。
[0003]电子传输材料或阴极界面修饰层材料必须满足三个要求，1)与钙钛矿材料的能级匹配；2)优异的电子迁移率；3)可溶液加工。有机n型半导体小分子可能是较好的选择，因为它们的能级可调节性强，高的电子迁移率和优异的成膜性。
[0004]已经证明，苝酰亚胺(PDI)母体单元化合物在有机场效应晶体管和有机光伏电池中显示出优异的n型半导体性质。鉴于其具有低的最低空分子轨道(LUMO)能级
‑
3.9eV，和最高占据分子轨道(HOMO)能级约
‑
6.0eV。其LUMO能级与钙钛矿CH3NH3PbI3或CH3NH3PbCl
x
I3‑
x
的LUMO能级相当匹配，另外，其低位HOMO能级能够有效阻止空穴向阴极转移。
[0005]本申请设计并合成了一种基于苝酰亚胺n型半导体材料，通过一步氨基化或取代反应获得。它们作为电子传输层材料应用于倒置器件ITO/NiO
x
/钙钛矿/电子传输层材料(钝化层)/Ag中，制备出高效率钙钛矿太阳能电池器件。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本申请提供了基于苝酰亚胺n型半导体材料及其制备方法与应用，具有高的电子迁移率、能级适当、可溶液加工和优异的成膜性等优点。
[0007]技术方案：为实现上述目的，本申请采用的技术方案为提供基于苝酰亚胺n型半导体材料，其特征在于，所述材料的结构通式包括：
[0008][0009]其中，n＝m＝x为1
‑
10。
[0010]在一实施例中，所述的基于苝酰亚胺n型半导体材料结构通式中：n＝m＝x＝1，n＝m＝x＝2，n＝m＝x＝3，n＝m＝x＝4，n＝m＝x＝5，n＝m＝x＝6，n＝m＝x＝7，n＝m＝x＝8，n＝m＝x＝9，n＝m＝x＝10。
[0011]在一实施例中，所述的基于苝酰亚胺n型半导体材料，为n＝m＝x＝2。
[0012]本申请还提供了一种基于苝酰亚胺n型半导体材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]步骤一、将1,7
‑
二溴
‑
3,4,9,10
‑
苝四甲酸二酐、二甲氨基丙胺、无水K2CO3加入到反应容器中，加入溶剂DMF；
[0014]步骤二、在80
‑
150℃下反应1～12小时得到反应混合物；
[0015]步骤三、将所述反应混合物静置、过滤得到母液，经过减压蒸馏除去多余溶剂，再经柱色谱纯化，得到苝酰亚胺n型半导体材料。
[0016]在一实施例中，所述步骤一中，K2CO3与1,7
‑
二溴
‑
3,4,9,10
‑
苝四甲酸二酐的摩尔比为0.1:1～10:1。
[0017]在一实施例中，所述步骤一中每摩尔所述1,7
‑
二溴
‑
3,4,9,10
‑
苝四甲酸二酐加入DMF的量为500mL～10000mL。
[0018]在一实施例中，所述步骤一的反应方程式为：
[0019][0020]本申请还提供了一种基于苝酰亚胺n型半导体材料在钙钛矿太阳能电池中的应用，其特征在于所述苝酰亚胺n型半导体材料作为单层电子传输层材料在钙钛矿太阳能电池中的应用。
[0021]在一实施例中，所述的基于苝酰亚胺n型半导体材料在钙钛矿太阳能电池中的应
用，其特征在于：所述钙钛矿太阳能电池器件的制备方法包括以下步骤：
[0022]ITO玻璃清洗干燥后作为阳极电极，在所述ITO玻璃上旋涂生成10
‑
30nm的空穴传输层NiO
x
；
[0023]在所述NiO
x
层上制备250
‑
400nm钙钛矿层；
[0024]在所述钙钛矿层上旋涂生成1
‑
10nm的阴极修饰层作为电子传输层；
[0025]在所述阴极修饰层上蒸镀80
‑
120nm的金属Ag作为阴极电极。
[0026]有益效果：本申请提供的一种苝酰亚胺n型半导体材料及其应用，与现有技术相比，具有以下优势：本申请公开的苝酰亚胺n型半导体材料，对苝酰亚胺顶端与湾部侧链长度优化相关性能，具有迁移率高、能级适当、可溶液法涂膜等优点，是理想的钙钛矿太阳能电池电子传输层与钝化层材料。
附图说明
[0027]图1是实施例制备的苝酰亚胺n型半导体分子结构图；
[0028]图2是实施例制备的苝酰亚胺n型半导体分子核磁共振氢谱图谱；
[0029]图3是实施例制备的苝酰亚胺n型半导体分子循环伏安曲线；
[0030]图4是实施实例制备的苝酰亚胺n型半导体分子在二氯甲烷溶液中的紫外
‑
可见光区吸收光图谱；
[0031]图5是实施实例苝酰亚胺n型半导体分子作为电子传输层材料制备器件的J
‑
V曲线。
具体实施方式
[0032]本申请公开了一种苝酰亚胺n型半导体材料，基于苝酰亚胺环，顶端、湾部烷基链富含氮原子的半导体材料及其制备方法，以及该小分子作为电子传输层与缺陷钝化层材料在钙钛矿太阳能电池中的应用。本申请公开的苝酰亚胺衍生物n型半导体具有可溶液加工、电子迁移率高、能级适当优点，是理想的钙钛矿太阳能电池电子传输层、缺陷钝化层材料。
[0033]下面对本申请的实施例作详细说明，本实施例在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于苝酰亚胺n型半导体材料，其特征在于，所述材料的结构通式包括：其中，n，m，x为1
‑
10。2.根据权利要求1所述的基于苝酰亚胺n型半导体材料，其特征在于，所述结构通式中的n＝m＝x＝1，n＝m＝x＝2，n＝m＝x＝3，n＝m＝x＝4，n＝m＝x＝5，n＝m＝x＝6，n＝m＝x＝7，n＝m＝x＝8，n＝m＝x＝9，n＝m＝x＝10。3.根据权利要求1所述的基于苝酰亚胺n型半导体材料，其特征在于，所述结构通式中的n＝m＝x＝2。4.权利要求1所述的基于苝酰亚胺n型半导体材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将1,7
‑
二溴
‑
3,4,9,10
‑
苝四甲酸二酐与二甲氨基丙胺加入到反应容器中，无水K2CO3加入到反应容器中，加入溶剂DMF；步骤二、在80
‑
150℃下反应1～12小时得到反应混合物；步骤三、将所述反应混合物静置、过滤得到母液，经过减压蒸馏除去多余溶剂，并通过硅胶柱纯化获得所述苝酰亚胺n型半导体材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，K2CO3与1,7
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二溴
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫伟博，杨文生，何朝霞，辛颢，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：