[发明专利]一种苯基芴胺类聚合物空穴传输材料及其制备方法和应用

说明书

开了一种苯基芴胺类聚合物空穴传输材料其制备方法和应用。通过向聚乙烯基咔唑（PVK）侧链引入N‑甲氧基苯基‑二甲基芴胺基团，设计合成了苯基芴胺功能化的PVK聚合物空穴传输材料。本发明所述聚合物空穴传输材料合成成本低、具有很好的溶解性、成膜性、较高的空穴迁移率以及与钙钛矿相匹配的能级，将其作为无掺杂聚合物空穴传输材料应用于反式准二维钙钛矿太阳能电池中，获得较高的功率转化效率。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池新型空穴传输材料领域，具体涉及一种苯基芴胺类聚合物空穴传输材料的结构、合成及其反式钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

钙钛矿太阳能电池(PSCs)，采用具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化的金属卤化物作为吸光层，自2009年以来，因制备方式简单、生产成本低廉和光电性能优异而备受关注，能量转换效(PCE)由3.8％迅速提升至25.5％，成为全世界最受瞩目且发展最快的第三代新兴光伏技术。PSCs的主要结构可分为常规(n-i-p)和反式(p-i-n)型。传统常规n-i-p型PSCs通常使用n型介孔TiO₂作为电子传输材料，需要高温热处理；而通过减小介孔层的厚度，器件的迟滞现象更加严重，这些缺点增加了常规结构PSCs的制作成本且限制了其器件性能的可靠性。与常规PSCs相比，反式PSCs具有相反的器件结构和电荷传输方向，因具备较好的器件稳定性、较小的迟滞效应、可低温制造、适用于柔性基底且可与硅或铜(In,Ga)Se₂光伏技术集成等优点，在未来商业化大面积PSCs发展中展现优势。目前小面积反式PSCs的效率达到认证值22.75％，微型模块的效率超过18％，孔径面积为19.276cm²。

空穴传输材料(HTMs)作为钙钛矿晶体和电极之间重要的界面层对于常规和反式PSCs都非常重要，HTMs在促进空穴的提取、传输以及抑制钙钛矿和HTMs界面处载流子的复合等方面起着非常重要的作用，可以有效地提高器件的性能。然而，对于许多报道的HTMs，通常需要化学掺杂过程来提高空穴迁移率/电导率，这不仅增加了器件的总体成本，而且损害了器件的长期稳定性。因此，近几年发展低成本无需掺杂任何添加剂的HTMs成为常规和反式PSCs实现大面积商业化应用重大需求之一。其中，聚合物无掺杂HTMs因其耐热性高、疏水性强、薄膜处理能力强、与卷材印刷技术兼容、在不同类型的器件结构中均表现出良好的器件效率和稳定性等优点而备受关注。PEDOT:PSS和聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)两类聚合物，仍是反式PSCs中最常用的HTMs，目前最高效率的反式PSCs也是基于PTAA制备的。然而，PEDOT:PSS的酸性和吸湿性导致的稳定性问题以及PTAA的高成本(1980美元/g)也极大地阻碍了大面积反式PSCs的发展。与传统常规器件相比，聚合物无掺杂HTMs在反式PSCs中的应用研究较少，其器件性能仍不能与掺杂PTAA器件相媲美，且聚合物HTMs与钙钛矿层的界面关系研究也不够系统。因此仍然有必要进一步开发新的策略、设计新型无掺杂聚合物HTMs实现低成本、高性能、稳定、大面积反式PSCs应用。

利用非共轭聚乙烯主链与不同结构的空穴传输基团侧链结合的策略，在构筑新型非共轭侧链聚合物无掺杂HTMs方面具有优势，所制备聚合物HTMs具有合成成本低、薄膜加工能力强、润湿性好、在可见区域有透明窗口等优点，在常规和反式PSCs方面均能获得较好的器件性能。苯基芴胺类基团因具备较好的迁移率且可以调节分子的能级等，被用来构筑高性能的小分子HTMs材料应用于常规结构PSCs中。目前基于苯基芴胺类的聚合物HTMs还没有报道，本文通过向聚乙烯基咔唑(PVK)侧链引入N-甲氧基苯基-二甲基芴胺基团，设计合成了一种苯基芴胺类非共轭侧链聚合物空穴传输材料，并应用于反式PSCs。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种苯基芴胺类聚合物空穴传输材料及其制备方法，该材料可应用于新型无掺杂聚合物HTMs，实现低成本、高性能、稳定、大面积反式PSCs应用。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：提供的苯基芴胺类聚合物空穴传输材料的结构式如下所述：