吖啶酮类化合物及其制备方法和应用与流程

本发明涉及有机功能材料领域，尤其涉及一种吖啶酮类化合物及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近几十年来，薄膜光伏技术（pv）因其重量轻、半透明、成本低和多功能应用等优势而备受关注。在新兴材料中，由于有机-无机金属卤化物钙钛矿（pscs）具有低激子结合能、双极性和长程载流子传输以及易于溶液处理等独特的性质，使其成为制备高性能太阳能电池的理想候选者，功率转换效率（pce）接近26.1%。

2、在pscs中，空穴传输材料具有优化界面，调节能级匹配等作用。传统空穴传输材料（htm）以[2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基]膦酸（meo-2pacz）、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（ptaa）为主，这类htm的空穴迁移率普遍较低，此外高成本的问题也阻碍了其在pscs的进一步发展。

3、目前，已有多种新型自组装单分子层材料（sam）已被证明能够为pscs构建高效的空穴传输层，比如苯、联苯、三并茚等，然而这些材料以电中性基团为核心，一定程度上会降低空穴迁移率。综上，行业内亟需一种新型的、空穴传输性优异、浸润性优异、稳定性好的空穴传输材料。

技术实现思路

1、基于此，本发明提供了一种吖啶酮类化合物及其制备方法和应用，该吖啶酮类化合物为一类新型的、具有自组装特性、空穴传输性优异、溶解性好、浸润性优异、稳定性好的有机功能材料，适合用作空穴传输材料，并提高光电装置的开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率和热稳定性。

2、技术方案如下：

3、本发明的第一个方面，提供一种吖啶酮类化合物，其结构通式如式（i）所示：

4、（i）；

5、其中，r1和r2分别独立为卤素、烷基、烷氧基或氨基；

6、r3为亚烷基；

7、n1和n2分别独立为0至4的任一整数。

8、在其中一些实施方式中，所述的吖啶酮类化合物的结构通式如式（ii）所示：

9、（ii）。

10、在其中一些实施方式中，所述r1选自卤素、c1～c20烷基、c1～c20烷氧基或氨基。

11、在其中一些实施方式中，所述r2选自卤素、c1～c20烷基、c1～c20烷氧基或氨基。

12、在其中一些实施方式中，各所述r3分别独立地选自c1～c20亚烷基。

13、在其中一些实施方式中，所述的吖啶酮类化合物具有如下任一所示的结构：

14、、、、、、、、。

15、本发明的第二方面，提供一种如上所述的吖啶酮类化合物的制备方法，包括以下步骤：

16、将化合物1和乙二醇混合反应，制备化合物2；

17、将化合物2和二卤代烷烃x1-r3-x2混合反应，制备化合物3；

18、将化合物3和亚磷酸三乙酯混合反应，制备化合物4；

19、对化合物4进行水解，制备如上所述的吖啶酮类化合物；

20、反应方程式表示如下：

21、

22、其中，x1和x2分别独立为卤素，r1、r2和r3的定义与上述相同。

23、本发明的第三方面提供一种空穴传输材料，其包括如上所述的吖啶酮类化合物，或根据如上所述的方法制备的吖啶酮类化合物。

24、本发明的第四方面提供一种光电装置，其包括层叠设置的功能层，至少一层所述功能层的材料包括如上所述的吖啶酮类化合物，或根据如上所述的方法制备的吖啶酮类化合物，或如上所述的空穴传输材料。

25、本发明的第五方面提供一种发光二极管，其包括第一电极、第二电极、位于第一电极和第二电极之间的一层或多层功能层，至少一层所述功能层的材料包括如上所述的吖啶酮类化合物，或根据如上所述的方法制备的吖啶酮类化合物，或如上所述的空穴传输材料。

26、本发明的第六方面提供一种钙钛矿太阳能电池，其包括层叠设置的电极层、第一功能层、钙钛矿吸光层、第二功能层和导电玻璃层；

27、所述第一功能层和所述第二功能层其中一个为空穴传输层，另一个为电子传输层，其中，所述空穴传输层的材料包括如上所述的吖啶酮类化合物，或根据如上所述的方法制备的吖啶酮类化合物，或如上所述的空穴传输材料。

28、在其中一些实施方式中，所述电极层的材料选自银、铜、导电氧化物和碳电极中的至少一种。

29、在其中一些实施方式中，所述电子传输层的材料选自[6,6]-苯基-c61-丁酸甲酯、c60和氧化锡中的至少一种。

30、在其中一些实施方式中，所述钙钛矿吸光层的材料的结构通式为abx3，其中，a选自cs+、ma+(ch3nh3+)、fa+(ch(nh2)2+)和rb+中的一种或多种，b选自pb2+、sn2+和mn2+中的一种或多种，x为卤素离子。

31、在其中一些实施方式中，所述导电玻璃层的材料选自氧化铟锡、氧化铝锌、氧化铝铟、氧化铟铈和氧化铟钨中的至少一种。

32、在其中一些实施方式中，在所述电子传输层和所述电极层之间还层叠设置有空穴阻挡层。

33、在其中一些实施方式中，所述空穴阻挡层的材料选自2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉和乙酰丙酮锆中的至少一种。

34、本发明至少具有如下有益效果：

35、本发明提供的吖啶酮类化合物，包括吖啶酮母核和连接在母核上的取代基r1和r2、锚定基团磷酸和连接锚定基团和吖啶酮的r3。其中，以吖啶酮为母核，优化器件内建电场，抑制界面复合，并优化能级结构，提高其对钙钛矿空穴的提取能力。而端位使用磷酸基团，利用磷酸与金属氧化物基底（如ito）的配位协同物理和化学作用，可以有效在金属氧化物基底上形成一层空穴传输小分子界面，同时可以钝化金属氧化物上的缺陷，增强界面稳定性，使得光电装置在工作条件下的稳定性得到提升。配合利用取代基的多功能调控手段，在核心基团构建二氧戊环，增大钙钛矿与空穴传输材料之间的相互作用，优化分子溶解性，利于实现大面积钙钛矿组件的制备。另外，本发明提供的吖啶酮类化合物合成路线简单方便，材料的成本低廉，利于放大和工业化生产。

36、经测试，相比于传统空穴传输材料，在本发明其中一些示例中，将该吖啶酮类化合物用于光电装置中，如钙钛矿太阳能电池中，可将钙钛矿太阳能电池的开路电压提高9.70%以上，部分实施例可提高13.6%以上；短路电流提高1.43%以上，部分实施例可提高6.04%以上；填充因子提高4.99%以上，部分实施例可提高7.64%以上；光电转换效率提高19.60%以上，部分实施例可提高27.18%以上；热稳定性提高20%以上。

技术特征：

1.一种吖啶酮类化合物，其特征在于，其结构通式如式（i）所示：

2.根据权利要求1所述的吖啶酮类化合物，其特征在于，其结构通式如式（ii）所示：

3.根据权利要求1或2所述的吖啶酮类化合物，其特征在于，所述r1和r2分别独立选自卤素、c1～c20烷基、c1～c20烷氧基或氨基。

4.根据权利要求1或2所述的吖啶酮类化合物，其特征在于，所述r3选自c1～c20亚烷基。

5.根据权利要求1所述的吖啶酮类化合物，其特征在于，具有如下任一所示的结构：

6.一种权利要求1至5任一项所述的吖啶酮类化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.一种空穴传输材料，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的吖啶酮类化合物，或权利要求6所述的方法制备的吖啶酮类化合物。

8.一种光电装置，其特征在于，包括层叠设置的功能层，至少一层所述功能层的材料包括权利要求1至5任一项所述的吖啶酮类化合物，或权利要求6所述的方法制备的吖啶酮类化合物，或权利要求7所述的空穴传输材料。

9.一种发光二极管，其特征在于，包括第一电极、第二电极、位于第一电极和第二电极之间的一层或多层功能层，至少一层所述功能层的材料包括权利要求1至5任一项所述的吖啶酮类化合物，或根据权利要求6所述的方法制备的吖啶酮类化合物，或权利要求7所述的空穴传输材料。

10.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括层叠设置的电极层、第一功能层、钙钛矿吸光层、第二功能层和导电玻璃层；

11.根据权利要求10所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，满足如下（1）～（4）中的至少一项：

12.根据权利要求10或11所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，在所述电子传输层和所述电极层之间还层叠设置有空穴阻挡层。

13.根据权利要求12所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴阻挡层的材料选自2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲啰啉和乙酰丙酮锆中的至少一种。

技术总结
本发明涉及一种吖啶酮类化合物及其制备方法和应用。该咔唑类化合的结构通式如式（I）所示：（I）；其中，R<subgt;1</subgt;和R<subgt;2</subgt;分别独立为卤素、烷基、烷氧基或氨基；R<subgt;3</subgt;为亚烷基；n1和n2分别独立为0至4的任一整数。该吖啶酮类化合物空穴传输性优异，稳定性好，浸润性好，具有自组装特性，适合用作空穴传输材料，并提高光电装置的开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率和热稳定性。

技术研发人员：李明昊,莫易,应昕彤,杨玉雯,曾海鹏
受保护的技术使用者：天合光能股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29