一种以咔唑方酸为核的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，公开了一种以咔唑方酸为核的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：本发明专利技术的以咔唑方酸为核的空穴传输材料具有匹配钙钛矿的HOMO能级，从而能够有效确保空穴的高效分离与传输，同时还能够有效阻挡空穴从钙钛矿层跃迁至空穴传输层，抑制界面电子复合的发生，能够显著提高器件的开路电压，同时具有优良的成膜性和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。光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种以咔唑方酸为核的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
，特别涉及一种以咔唑方酸为核的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]本专利技术所述的空穴传输材料合成路线简单、原料易得，并且具有较高的光热稳定性能和开路电压。应用于钙钛矿太阳能电池，结果显示，能够获得最高18.11％的光电转化效率，具有较好的应用前景。

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以咔唑方酸为核的空穴传输材料及其制备方法和应用，以咔唑方酸为核的空穴传输材料具有匹配钙钛矿的HOMO能级，从而能够有效确保空穴的高效分离与传输，同时还能够有效阻挡空穴从钙钛矿层跃迁至空穴传输层，抑制界面电子复合的发生，能够显著提高器件的开路电压，同时具有较高的成膜性和光热稳定性能。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以咔唑方酸为核的空穴传输材料，具有式(6)的化学结构式：
[0006][0007]本专利技术进一步提供了上述式(6)化合物的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1：使式(1)化合物和式(2)化合物发生脱水缩合反应生成式(3)化合物；
[0009][0010]S2：使式(4)化合物发生低温反应生成式(5)化合物；
[0011][0012]S3：使式(3)化合物和式(5)化合物发生Stille偶联反应生成式(6)化合物；
[0013][0014]优选地，在所述S1中，在室温条件下，将式(1)化合物、式(2)化合物、正丁醇、无水甲苯加到反应容器中，110℃加热反应8～12h得到式(3)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(1)化合物∶式(2)化合物＝2～3∶1。
[0015]优选地，在所述S2中，惰性气体保护以及低温条件下，将式(4)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(5)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∶正丁基锂∶三丁基氯化锡＝1∶2～3∶2～3。
[0016]优选地，在所述S3中，在惰性气体保护条件下，式(3)化合物、式(5)化合物、四(三苯基膦)钯、无水甲苯加到反应容器中，100℃加热反应8～12h得到式(6)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(3)化合物∶式(5)化合物∶四(三苯基膦)钯＝1∶2～3∶0.02～0.1。
[0017]本专利技术还进一步提供了上述以咔唑方酸为核的空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用。
[0018]有益效果：1、本专利技术提供的空穴传输材料是甲氧基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，咔唑方酸作为电子受体单元，构建出D
‑
π
‑
A
‑
π
‑
D型空穴传输材料，具有成膜性好以及光热稳定性强的优点；同时，分子骨架中的方酸基团的加入能够更加有效的改善分子的HOMO能级，显著提升电池的开路电压；
[0019]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4)：电池器件短路光电流密度达23.26mA cm
‑2，开路电压为1.18mV，填充因子0.66，光电转化效率达到18.11％，对提高钙钛矿太阳能电池效率具有实际意义。
附图说明
[0020]图1为实施例1制备的以咔唑方酸为核的空穴传输材料溶解于二氯甲烷溶液(物质的量浓度为2
×
10
‑5mol/L)中的电化学CV测试图；
[0021]图2为实施例1制备的以咔唑方酸为核的空穴传输材料第一步合成(S1)的反应机理推测图；
[0022]图3为实施例1制作的染钙钛矿太阳能电池的结构示意图；其中，编号1表示金属电极，编号2表示空穴传输层，编号3表示钙钛矿层，编号4表示氧化锡层，编号5表示ITO玻璃；
[0023]图4为实施例1制备的钙钛矿太阳能电池的J
‑
V曲线。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术中的实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0025]一种以咔唑方酸为核的空穴传输材料，具有以下式(6)的化学结构式：
[0026][0027]实施例1：
[0028]本实施方式提供了一种以咔唑方酸为核的空穴传输材料，其化学式——式(6)为
[0029][0030]S1：使式(1)化合物和式(2)化合物发生脱水缩合反应生成式(3)化合物；
[0031][0032]本步骤具体地说：在室温条件下，向100mL单口圆底烧瓶中，加入1g式(1)化合物、210mg式(2)化合物、10mL正丁醇和10mL无水甲苯，随后升温至110℃，搅拌10h；加水和二氯甲烷打浆，过滤得到滤饼，滤饼经过二氯甲烷洗涤三次后，在60℃下干燥12h，得到962mg式(3)化合物，粉色晶状固体，产率为91.4％。
[0033]S2：使式(4)化合物发生低温反应生成式(5)化合物；
[0034][0035]本步骤具体地说：氮气保护以及
‑
78℃条件下，将式(4)化合物1g、无水四氢呋喃(THF)加到100ml低温反应管中，缓慢滴加2.5M正丁基锂溶液1ml，加完反应1h；将774mg三丁基氯化锡加到反应管，维持
‑
78℃反应1h，之后转移到室温反应12h，加水和乙酸乙酯萃取，有机相用无水硫酸镁干燥，减压蒸馏除去溶剂，得到黄色油状液体，按式(5)化合物80％产率投到下一步反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以咔唑方酸为核的空穴传输材料及其制备方法和应用，其特征在于：具有较低的成本，高的开路电压，良好的成膜性，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所述的利用缩合反应，Stille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所述的制备以咔唑方酸为核的空穴传输材料，其特征在于：四(三苯基膦)钯的用量在0.02eq
‑
0.1eq范围内。4.根据权利要求1所述的制备以咔唑方酸为核的空穴传输材料，其特征在于：脱水缩合反应中使用的正丁醇与...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁茂，刘一奇，颜晓晴，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：