基于咔唑衍生物的自组装单分子层空穴传输材料及其合成方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于咔唑衍生物的自组装单分子层空穴传输材料及其合成方法，以及在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明专利技术以具有刚性共轭平面的咔唑为母体，保证分子的空穴传输能力；通过共轭拓展手段进行分子界面性能调控，减少界面处能量损失；以丁基磷酸为锚定基团，实现空穴传输材料在电极基底上的自组装。本发明专利技术合成方法简单，合成成本低廉，所制备的材料能实现空穴传输和钙钛矿界面钝化双重功能。该材料应用于倒置钙钛矿太阳能电池中作为空穴传输层时，无需掺杂即可获得>19％的光电转化效率，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于咔唑衍生物的自组装单分子层空穴传输材料及其合成方法和应用


[0001]本专利技术涉及空穴传输材料
，具体涉及一种自组装单分子层型空穴传输材料及其合成方法和应用。

技术介绍

[0002]能源是人类社会发展的基础，在传统化石能源逐渐耗尽的今天，开发清洁可持续的太阳能成为研究人员的共识。自2009年被首次报道以来，有机
‑
无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)吸引了全世界光伏领域的广泛关注，其光电转化效率(PCE)从3.9％快速提升至25.7％。除了快速进步的效率外，PSCs在低成本、大规模柔性制造上具有明显优势，因此它也被认为是最有希望取代硅基太阳能电池的下一代光伏技术之一。对于PSCs自身而言，倒置PSCs(p
‑
i
‑
n)避免了正置结构器件的高温烧结过程，各层均能低温溶液制备，器件几乎没有回滞且电极可以使用廉价的铜，这些优势使得倒置结构成为PSCs商业化的最佳选择。
[0003]空穴传输材料(HTMs)是PSCs的重要组成部分，对于电池的效率和稳定性具有关键性作用。聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺](PTAA)是目前高效率倒置PSCs中最常用的HTM，但PTAA自身的诸多问题严重阻碍了倒置PSCs的产业化进程：首先，PTAA的价格高达1980$/g，是黄金的数十倍，导致其无法大规模应用；其次，PTAA自身的空穴迁移率较低(～10
‑5cm
2 V
‑1s
‑1)，需要添加双三氟甲磺酰亚胺锂(Li
‑
TFSI)、2,3,5,6
‑
四氟
‑
7,7',8,8'
‑
四氰二甲基对苯醌(F4TCNQ)等掺杂剂提高空穴传输性能，然而这些易吸水的掺杂剂会导致钙钛矿的分解，极大影响了电池的长期稳定性；最后，PTAA作为一种高分子，其分子量和光伏性能会随着合成批次不断变化，不利于产业化应用。因此，开发成本低廉、迁移率高、易于制备的HTMs是推动倒置PSCs产业化进程的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低廉、空穴迁移率高、适于大规模溶液加工的倒置非掺杂空穴传输材料。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术设计的一种自组装单分子层型非掺杂空穴传输材料，以咔唑衍生物为母核，丁基磷酸为锚定基团，该材料具有以下结构式：
[0006][0007]或
[0008][0009]本专利技术的另一目的是提供一种上述空穴传输材料的合成方法，具体包括如下步骤：
[0010]当分子母核为苯取代的咔唑(BCZ
‑
C4POH)时，具体合成步骤如下：
[0011]步骤一：3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑(BCZ)和1,4
‑
二溴丁烷反应得到9
‑
(4
‑
溴丁基)
‑
3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑(BCZ
‑
C4Br)：
[0012][0013]步骤二：BCZ
‑
C4Br和亚磷酸三乙酯反应得到(4
‑
(3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑
‑9‑
基)
‑
丁基)磷酸二乙酯(BCZ
‑
C4POR)：
[0014][0015]步骤三：BCZ
‑
C4POR水解得到(4
‑
(3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑
‑9‑
基)
‑
丁基)磷酸(BCZ
‑
C4POH)：
[0016][0017]进一步的，步骤一中，反应所用强碱为氢氧化钾；反应所用相转移催化剂为四丁基溴化铵；反应温度为0
‑
90℃。
[0018]进一步的，步骤二中，反应在氮气、氩气等惰性气体保护下进行；反应溶剂为亚磷酸三乙酯；反应温度为158
‑
200℃。
[0019]进一步的，步骤三中，反应在氮气、氩气等惰性气体保护下进行；反应溶剂为四氢呋喃；反应温度为0
‑
50℃；反应所用水解试剂为三甲基溴硅烷；反应所用淬灭试剂为甲醇。
[0020]当分子母核为联二咔唑(DCZ
‑
C4POH)时，具体合成步骤如下：
[0021]步骤一：3,3'
‑
联咔唑(DCZ)和1,4
‑
二溴丁烷反应得到9,9'
‑
双(4
‑
溴丁基)
‑
9H,9'H
‑
3,3'
‑
二咔唑(DCZ
‑
C4Br)：
[0022][0023]步骤二：DCZ
‑
C4Br和亚磷酸三乙酯反应得到(9H,9'H
‑
[3,3'
‑
二咔唑]‑
9,9'
‑
二基双(丁烷
‑
4,1
‑
二基))双膦酸四乙酯(DCZ
‑
C4POR)
[0024][0025]步骤三：DCZ
‑
C4POR水解得到(9H,9'H
‑
[3,3'
‑
二咔唑]‑
9,9'
‑
二基双(丁烷
‑
4,1
‑
二基))双膦酸(DCZ
‑
C4POH)：
[0026][0027]进一步的，步骤一中，反应所用强碱为氢氧化钾；反应所用相转移催化剂为四丁基溴化铵；反应温度为0
‑
90℃。
[0028]进一步的，步骤二中，反应在氮气、氩气等惰性气体保护下进行；反应溶剂为亚磷酸三乙酯；反应温度为158
‑
200℃。
[0029]进一步的，步骤三中，反应在氮气、氩气等惰性气体保护下进行；反应溶剂为四氢呋喃；反应温度为0
‑
50℃；反应所用水解试剂为三甲基溴硅烷；反应所用淬灭试剂为甲醇。
[0030]本专利技术的第三目的在于将上述基于咔唑衍生物的自组装单分子层空穴传输材料应用于倒置钙钛矿太阳能电池。
[0031]进一步的，在所述钙钛矿太阳能电池结构中，将钙钛矿溶液旋涂到自组装单分子
层空穴传输材料的表面。
[0032]更进一步的，所述钙钛矿太阳能电池的结构从下至上依次为玻璃/ITO/HTM/钙钛矿/C
60
/BCP/Cu，所述HTM为基于咔唑衍生物的自组装单分子层空穴传输材料。
[0033]与现有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于咔唑衍生物的自组装单分子层空穴传输材料，其特征在于：具有以下结构式：或2.一种如权利要求1所述的自组装单分子层空穴传输材料的合成方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑(BCZ)和1,4
‑
二溴丁烷反应得到9
‑
(4
‑
溴丁基)
‑
3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑(BCZ
‑
C4Br)：
步骤二：BCZ
‑
C4Br和亚磷酸三乙酯反应得到(4
‑
(3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑
‑9‑
基)
‑
丁基)磷酸二乙酯(BCZ
‑
C4POR)：步骤三：BCZ
‑
C4POR水解得到(4
‑
(3,6
‑
二苯基
‑
9H
‑
咔唑
‑9‑
基)
‑
丁基)磷酸(BCZ
‑
C4POH)：3.一种如权利要求1所述的自组装单分子层空穴传输材料的合成方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：3,3'
‑
联咔唑(DCZ)和1,4
‑
二溴丁烷反应得到9,9'
‑
双(4
‑
溴丁基)
‑
9H,9'H
‑
3,3'
‑
二咔唑(DCZ
‑
C4Br)：
步骤二：DCZ
‑
C4Br和亚磷酸三乙酯反应得到(9...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹新星，卢蕾，李在房，金英芝，苏振，宋嘉兴，胡林，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：