[发明专利]一类哑铃型空穴传输材料、合成方法和钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明公开了一类哑铃型空穴传输材料、合成方法和钙钛矿太阳能电池。其中钙钛矿太阳能电池的结构包括衬底、阳极、空穴传输层、活性层、电子传输层和阴极。其中活性层为传统的三维钙钛矿结构，空穴传输层为“哑铃型”结构的新型有机小分子。相比传统PEDOT:PSS，PTAA作为空穴传输材料，该类空穴传输材料具有合成步骤简单、成本低廉、用量少且无需任何掺杂的优势，该类新型空穴传输材料在反式平面结构钙太矿太阳能电池器件中能够减少空气中的水、氧气等对钙钛矿层结构的破坏，从而有效提高电池寿命，同时可以获得有更高开路电压(V_OC)、短路电流(J_SC)、和填充因子(FF)，最终获得更高的光电转换效率(PCE)，最高PCE达到18.61％。

技术领域

本发明涉及一类哑铃型空穴传输材料、合成方法和钙钛矿太阳能电池。

背景技术

随着不可再生能源的不断消耗，人类社会面临日益严峻的能源危机以及由此产生的环境压力，发展绿色可再生能源技术迫在眉睫。太阳能作为一种绿色的可再生能源，取之不尽用之不竭。如果能把照射在地球上太阳光的约0.3％转换成电能或者其他可以使用的能源，即可满足人类的全部需求。因而，自从1954年第一块单晶硅太阳能电池问世以来，人们就对利用半导体太阳能电池解决将来由于矿物燃料枯竭而引起的能源危机寄予了很大希望。传统的基于硅等无机半导体材料太阳能电池虽然已经商品化，但因其生产工艺复杂，成本过高，加之无机材料不可降解以及不易柔性加工等缺陷，其应用受到了限制。

近年来，开发新型的高效太阳能电池受到了越来越多的关注，其中具有代表性的太阳能电池主要有燃料敏化电池，有机太阳能电池，量子点敏化电池和有机-无机杂化电池。有机-无机钙钛矿太阳能电池作为有机-无机杂化电池中的重要分支，近年来得到迅猛的发展。至2019年，研究报道的有机-无机钙钛矿太阳能电池最高效率已经突破25.2％,展示了钙钛矿太阳能电池巨大的商业化潜力。

空穴传输材料，作为制备高效稳定钙钛矿太阳能电池的关键材料之一，一直是钙钛矿电池研究的重点，但截至目前，在高效钙钛矿太阳能电池中应用最广泛的空穴传输材料仍局限于2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(spiro-MeOTAD)、聚三芳苯胺(PTAA)和PEDOT:PSS等材料。其中，使用spiro-MeOTAD和PTAA作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料，不仅成本高昂，还通常需要添加剂如：TCNQ、双(三氟甲磺酰)亚胺(Li-TFSI)和叔丁基吡啶(tBP)等提高材料迁移率，而这类离子添加剂造成空穴传输层不稳定、极易吸水，使钙钛矿活性层受到破坏，导致器件稳定性降低；而PEDOT：PSS作为空穴传输材料，虽然不需要掺杂，但是由于本身的酸性会腐蚀电极材料，也会影响太阳能电池的性能。所以开发新型、高效、无需掺杂的空穴传输层材料对钙钛矿太阳能电池具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一类哑铃型空穴传输材料、合成方法和钙钛矿太阳能电池。该新型“哑铃型”空穴传输材料合成工艺简单，成本低廉，来源广泛；并且参与制备的钙钛矿太阳能电池器件稳定性好，可以在不需要任何掺杂的情况下获得高的光电转换效率。

本发明采用的技术方案如下：

一类哑铃型空穴传输材料，空穴传输材料的化学结构通式为：

所述的哑铃型空穴传输材料，其结构式为A1-A4之一所示：

所述的空穴传输材料的合成方法，在史莱克瓶中加入三种原料，再加入有机溶剂如：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷、氯仿、正己烷、丙酮、石油醚等，将其溶解，在氮气保护下，加入金属钯作为催化剂(如四(三苯基膦)钯、dba钯、氯化钯等)；在氮气保护下，加热70-130℃，反应12-48小时；反应结束后，用二氯甲烷和水萃取，并用无水硫酸镁干燥、过滤并浓缩，最后用洗脱剂(二氯甲烷+石油醚)在硅胶柱色谱上进行纯化得到目标产物；