[发明专利]一种苝二酰亚胺类电子传输材料及其合成方法和应用

说明书

本发明属于有机功能材料技术领域，涉及一种苝二酰亚胺类电子传输材料及其合成方法，以及在反式平面型钙钛矿太阳能电池中的应用。本发明以吩噻嗪二氧化物基团为核心结构，在吩噻嗪二氧化物结构单元的3‑，7‑取代位连接苝二酰亚胺基团，通过引入不同的外围基团，调控分子的空间立体构型，构建不同扭转结构构型的苝二酰亚胺类电子传输材料。本发明所提供苝二酰亚胺类电子传输材料具有然条件稳定、成本低廉、高电子迁移率等优点。与基于富勒烯电子传输材料的反式平面型钙钛矿太阳能电池相比，基于此类电子传输材料的电池在工作条件下无迟豫现象。此外，更低的制作成本、更高的光电转换效率及更好的稳定性，有利于推进其大规模商业化生产。

技术领域

本发明属于有机功能材料技术领域，涉及一种苝二酰亚胺类电子传输材料及其合成方法，以及在反式平面型钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

太阳能电池将太阳光直接转化为电能，被认为是一种可以有效缓解全球能源危机和环境污染问题的可再生清洁能源技术。全固态有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)自2012年问世以来，经过短短几年时间其最高光电转换效率已达到25.2％。由于钙钛矿材料具有能带隙窄、消光系数高、载流子扩散长度长、载流子寿命长和载流子迁移率高等优势，并且器件制备工艺简单，成本低廉，因此钙钛矿太阳能电池具有广阔的应用前景，适合大规模商业化生产。

钙钛矿太阳能电池结构简单，主要包括电极、电子传输层(electron transportlayer,ETL)、光吸收层及空穴传输层(hole transport layer,HTL)。根据ETL的形貌特征，钙钛矿太阳能电池可以分为介孔型和平面型；根据ETL和HTL的相对位置，电池可分为正式和反式结构。其中，反式平面型钙钛矿太阳能电池在测试中几乎没有弛豫现象，并且可以通过简易的低温溶液旋涂制备，避免了正式钙钛矿太阳能电池在制备TiO₂电子传输层时高温煅烧的高能耗制备过程，使其在柔性器件及叠层电池领域具有广阔的应用前景，同时，为钙钛矿太阳能电池的低成本、大规模商业化生产提供了可能。

作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，电子传输材料(electron transportmaterial,ETM) 对电子的抽取及传输起着至关重要的作用，并进一步对电池性能及器件稳定性有着深远的影响。目前，在反式钙钛矿太阳能电池中常用的电子传输材料是富勒烯及其衍生物(PCBM、 ICBA、C60等)，此类材料具有较好的亲电性和电荷传输各向同性，应用于反式钙钛矿太阳能电池中获得较高的光电转换效率。(W.Chen,Y.Wu,Y.Yue,J.Liu,W.Zhang,X.Yang,H. Chen,E.Bi,I.Ashraful,M.L.Han,Science,2015,350,6263；Y.Wu,X.Yang,W.Chen,Y. Yue,M.Cai,F.Xie,E.Bi,A.Islam,L.Han,Nature Energy,2016,1,16148.)但是由于其成本较高、能级相对固定、稳定性差等缺点，限制了此类材料在反式平面型钙钛矿太阳能电池的大规模商业生产中的应用。因此，开发一种成本低、能级匹配、自然条件稳定的新型非富勒烯电子传输材料具有重要的商业应用价值。其中，苝二酰亚胺类(PDI)衍生物具有电子迁移率高、导电性高、热稳定性和化学稳定性好及能级易于调控等优点，是非富勒烯类电子传输材料的有力候选者，同时，此类材料还可以有效钝化钙钛矿表面的缺陷，抑制电荷复合及钙钛矿的降解，对电池性能及稳定性均有积极的影响。但是，此类材料具有较大的刚性共轭平面结构，导致π-π堆积效应较强，进而材料易于堆积聚集，不利于电荷的抽取及传输。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明通过分子工程手段调控分子的空间立体构型，提出一类成本低、能级匹配、性质稳定且不利于堆积的苝二酰亚胺类电子传输材料及其合成方法，并成功应用于反式平面型钙钛矿太阳能电池中。