一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池，包括从下至上的导电基底、空穴传输层、光吸收层、界面钝化层、非富勒烯电子传输层、空穴阻挡层和背电极；所述界面钝化层为硅酞菁层。本发明专利技术利用硅酞菁作为界面钝化层材料，构建高效非富勒烯钙钛矿太阳能电池，改善了光电流的迟滞现象，显著提高了光电转换效率和稳定性，为构建低成本、高效率、稳定的非富勒烯基钙钛矿太阳能电池提供了新思路。

A non-fullerene perovskite solar cell and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本专利技术属于钙钛矿太阳能电池
，具体涉及一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
从20世纪90年代起，人们就预测到随着全球人口的迅速增长与工业化的持续扩张，能源消耗和环境污染的问题日益增重。为了避免传统能源短缺以及不合理使用导致的污染问题，人们把目光转向了新型环保能源。而其中的太阳能取之不尽、用之不竭。在过去的十亿年中只消耗其能量的百分之二，除此之外，太阳能还有清洁稳定，无污染等特点，使得太阳能成为21世纪最具有潜力的可再生资源之一。开采利用太阳能的方式也较为丰富，其中基于光生伏特效应的太阳能电池是其中最常用的一种。钙钛矿太阳能电池作为新一代有望高性能、高应用价值的太阳能电池成为了研究的焦点。钙钛矿材料有着溶液制备，低成本以及光电性能优异等优点。从2009年初始光电转换效率的3.8％到目前已认证的23.7％，钙钛矿材料在光伏领域上急速发展。尽管钙钛矿电池在高效率太阳能电池研发方面取得了令人瞩目的成果，但与传统晶硅太阳能电池相比，其工作稳定性仍有较大不足。因此，我们有理由相信，通过不断提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，能够实现其在新型环保能源领域有大规模商业化生产的可能。有效的钙钛矿太阳能电池器件结构类似于汉堡夹层模式，包括导电玻璃、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层，以及界面修饰层，其中每一层都对钙钛矿太阳能电池性能起到决定性的作用。经研究发现，由于富勒烯具有高的电子迁移率、三维电子传输特性以及有效的路易斯酸钝化效果，所以在倒置结构(p-i-n)中，富勒烯及其衍生物成为了目前最为常用且获得高转换效率的电子传输材料。然而，随着制备工艺的不断成熟，富勒烯在钙钛矿太阳能电池上的缺点渐渐突显出来，比如：其弱的吸收能力无法给器件提供有效的光电流利用、其球型的分子结构在高温下自身会发生聚集效应、能级不便调节、高提纯成本以及差的光热水氧稳定性。为了避免这些不足，人们开始寻找另一种高性能的电子传输材料替代富勒烯及其衍生物。故此，非富勒烯电子传输体系在钙钛矿太阳能电池中的运用也成为了热门方向之一。然而，对于目前已研究的非富勒烯电子传输层体系而言，其钙钛矿电池工作效率及稳定性都不及传统富勒烯钙钛矿电池体系。原因在于：钙钛矿表面常常会产生一些未完全配位的悬挂键，这些悬挂的存在将成为能够捕获自由载流子的复合中心，恶化器件性能。
技术实现思路
针对现有技术中的非富勒烯基钙钛矿太阳能电池光电转换效率低、稳定性差的问题，本专利技术的目的是在于提供了一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池及其制备方法，利用硅酞菁作为界面钝化层材料，构建高效非富勒烯钙钛矿太阳能电池，改善了光电流的迟滞现象，显著提高了光电转换效率和稳定性，为构建低成本、高效率、稳定的非富勒烯基钙钛矿太阳能电池提供了新思路。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池，包括从下至上的导电基底、空穴传输层、光吸收层、界面钝化层、非富勒烯电子传输层、空穴阻挡层和背电极；所述界面钝化层为硅酞菁层(SiPC)，所述硅酞菁的结构通式如式(1)所示：式(1)中，R为选自以下取代基中的一种：L为H或具有1～4个C原子的烷基。优选的，式(1)中，R为L为H或具有1～4个C原子的烷基；更优选的，L为H或甲基。优选的，所述界面钝化层的厚度为5nm。优选的，所述导电基底包括玻璃基片及设置在所述玻璃基片上表面上的ITO导电层。优选的，所述空穴传输层为聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]层(PTAA)。优选的，所述空穴传输层的厚度为8nm。优选的，所述光吸收层为碘铅甲胺层(CH3NH3PbI3)。优选的，所述光吸收层的厚度为450nm。优选的，所述非富勒烯电子传输层为苝四酐层(PTCDA)、苝四甲酰二亚胺层(PTCDI)或全氟酞菁铜层(F16PcCu)。优选的，所述非富勒烯电子传输层的厚度为20nm。优选的，所述空穴阻挡层为2,4,6-三[3-(二苯基膦氧基)苯基]-1,3,5-三唑层(POT-2T)。优选的，所述空穴阻挡层的厚度为10nm。优选的，所述背电极为Cu层。优选的，所述背电极的厚度为80nm。本专利技术还提供了上述非富勒烯钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)空穴传输层的制备：采用旋涂法在导电基底上形成空穴传输层；(2)光吸收层的制备：采用两步旋涂法在空穴传输层上制备光吸收层；(3)界面钝化层的制备：采用旋涂法在光吸收层上形成硅酞菁层；(4)非富勒烯电子传输层的制备：采用真空热蒸镀法，将非富勒烯电子传输层热蒸发沉积在硅酞菁层上；(5)空穴阻挡层的制备：采用旋涂法在非富勒烯电子传输层上形成空穴阻挡层；(6)背电极的制备：采用真空热蒸镀法，热蒸发沉积背电极即非富勒烯钙钛矿太阳能电池。优选的，所述非富勒烯钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：(1)导电基底的预处理：导电基底用洗洁精浸泡24小时后，依次用去离子水、丙酮及异丙醇超声10～15分钟，经去离子水漂洗后用氮气流干燥，最后用紫外臭氧处理12-15分钟；(2)空穴传输层的制备：在导电基底表面旋涂一层空穴传输层，其中空穴传输层材料为PTAA，旋涂时转速为6000rpm，旋涂时间为30s，65℃烘干；(3)光吸收层的制备：采用两步旋涂法在空穴传输层上制备CH3NH3PbI3薄膜，首先，将PbI2溶液旋涂在PTAA上，旋涂时转速为6000rpm，旋涂时间为35s；然后将CH3NH3I溶液旋涂在PbI2之上使之反应，旋涂时转速为6000rpm，旋涂时间为35s，经100℃退火1h后制备出CH3NH3PbI3薄膜；(4)界面钝化层的制备：采用旋涂法在CH3NH3PbI3薄膜上形成SiPC，旋涂时转速为6000rpm，旋涂时间为45s，80℃烘干；(5)非富勒烯电子传输层的制备：采用真空热蒸镀法，在真空度小于10-5Mpa，蒸发速率为0.3～0.5A/s的条件下，将PTCDA、PTCDI或F16PcCu热蒸发沉积在SiPC上；(6)空穴阻挡层的制备：采用旋涂法在PTCDA、PTCDI或F16PcCu上形成空穴阻挡层，其中空穴阻挡层为POT-2T，旋涂时转速为5000rpm，旋涂时间为45s，80℃烘干；(7)背电极的制备：采用真空热蒸镀法，在真空度小于10-5Mpa，蒸发速率为1～3A/s的条件下，热蒸发沉积Cu电极于POT-2T上即得硅酞菁钝化非富勒烯钙钛矿太阳能电池。与现有技术相比，本专利技术的优势和有益效果：(1)本专利技术采用苝衍生物PTCDA或PTCDI作为非富勒烯电子传输层，相比于目前使用最广泛的富勒烯电子传输层材料，苝衍生物有高化学稳定性、热稳定性以及光稳定性的N型有机半导体，并且具有优异的电子迁移率，同时一定程度上提升了钙钛矿太阳能电池的稳定性。(2)本专利技术首次采用硅酞菁(SiPC)作为钙钛矿界面钝化层，硅酞菁化合物中包含氮、氢、碳三种元素，有18个π电子的共轭体，氮和碳的键长几乎相等，因此结构稳定。由于结构中含有大量的孤对电子，因此其具有路易斯碱性功能，能够钝化钙钛矿晶界。本专利技术中采用的SiPC界面钝化层结合苝衍生物PTCDA或PTCDI电子传输层构建非富勒烯钙钛矿太阳能电池，电池器件性能主要体现在极大减少了光电流的迟滞现象，提升了器件的开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池，包括从下至上的导电基底、空穴传输层、光吸收层、非富勒烯电子传输层、空穴阻挡层和背电极，其特征在于：还包括介于所述光吸收层和非富勒烯电子传输层之间的界面钝化层，所述界面钝化层为硅酞菁层，所述硅酞菁的结构通式如式(1)所示：

【技术特征摘要】
1.一种非富勒烯钙钛矿太阳能电池，包括从下至上的导电基底、空穴传输层、光吸收层、非富勒烯电子传输层、空穴阻挡层和背电极，其特征在于：还包括介于所述光吸收层和非富勒烯电子传输层之间的界面钝化层，所述界面钝化层为硅酞菁层，所述硅酞菁的结构通式如式(1)所示：式(1)中，R为选自以下取代基中的一种：L为H或具有1～4个C原子的烷基。2.根据权利要求1所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池，其特征在于：式(1)中，R为L为H或具有1～4个C原子的烷基。3.根据权利要求1或2所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述导电基底包括玻璃基片及设置在所述玻璃基片上表面上的ITO导电层。4.根据权利要求1或2所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述空穴传输层为聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]层。5.根据权利要求1或2所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述光吸收层为碘铅甲胺层。6.根据权利要求1或2所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述非富勒烯电子传输层为苝四酐层、苝四甲酰二亚胺层或全氟酞菁铜层。7.根据权利要求1或2所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述空穴阻挡层为2,4,6-三[3-(二苯基膦氧基)苯基]-1,3,5-三唑层。8.根据权利要求1或2所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述背电极为Cu层。9.权利要求1-8任一项所述的非富勒烯钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)空穴传输层的制备：采用旋涂法在导电基底上形成空穴传输层；(2)光吸收层的制备：采用两步旋涂法在空穴传输层上制备光吸收层；(3)界面钝化层的制备：采用旋涂法在光吸收层上形成硅酞菁层；(4)非富勒烯电子传输层的制备：采用真空热蒸镀法，将非富勒烯电子传输层热蒸发沉积在硅酞菁层上；(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁永波，柯丽丽，谢承益，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43