一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂及其应用，它的化学结构通式是：

An additive for perovskite solar cell based on cyanopyridine ionic liquid and its application

【技术实现步骤摘要】
一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂及其应用
本专利技术属于太阳能电池添加剂领域，涉及一种钙钛矿太阳能电池用添加剂，具体涉及一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂及其应用。
技术介绍
近十年来，高的光吸收系数(105cm-1)、大的电子/空穴扩散长度(高达1μm)、带隙易于调节(1～2.5eV)、较小的激子结合能(约40meV)、可进行低成本的溶液加工等特性，使得钙钛矿太阳能电池得以快速的发展。当前，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经超过22％，受到各个国家和太阳能电池领域的广泛重视。在钙钛矿电池的溶液制备过程中，部分卤素离子的迁移和快速的薄膜结晶方式会产生空位和间隙缺陷、空洞和针孔等问题。最终的钙钛矿薄膜存在明显的内部和表面缺陷，造成较多的非辐射复合和能量损失，严重影响了器件效率的进一步提升。因此，很有必要通过材料组分调控来制备低缺陷和高质量的连续钙钛矿薄膜，以获得高性能的钙钛矿电池。添加剂工程是一种制备高质量钙钛矿薄膜的有效方法。Han等将尿素添加到钙钛矿的溶液中，调节晶体的生长和形貌，制备质量更高的大尺寸钙钛矿薄膜。Jen等在前驱液中加入添加剂DIO得到结晶度高且表面均匀的钙钛矿薄膜。目前，从分子设计方面找到功能化的离子液体能更有效钝化钙钛矿薄膜的缺陷，并同时实现薄膜和器件稳定性以及效率的提升，仍然具有很大的挑战性。
技术实现思路
本专利技术目的是为了克服现有技术的不足而提供一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，它的化学结构通式是：式中，n为0～9的整数；Z为Br、I、Cl、BF4、PF6或TFSI。优化地，所述氰基连接在吡啶环的2、3或4位上。进一步地，所述氰基连接在吡啶环的3或4位上。进一步地，n为3～7的整数。进一步地，Z为Br、I、BF4或TFSI。本专利技术的又一目的在于提供一种上述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂的应用，它包括以下步骤：(a)将所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂与钙钛矿材料溶液混合配制成前驱体混合溶液；(b)将所述前驱体混合溶液旋涂至带有TiO2电子传输层的导电玻璃衬底上成膜，退火形成结晶的钙钛矿薄膜；(c)在所述钙钛矿薄膜上涂空含有空穴传输材料的混合溶液得空穴传输层；(d)在所述空穴传输层上蒸镀Au金属薄膜作为背电极即可。优化地，步骤(a)中，所述钙钛矿材料溶液包含MAPbI3、MAPb(I,Br)3或(FAMA)Pb(I,Br)3，所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂与所述钙钛矿材料溶液中Pb原子的摩尔比为0.1～10：100。优化地，步骤(b)中，所述退火温度为100～150℃、退火时间为10～15分钟。优化地，步骤(c)中，所述含有空穴传输材料的混合溶液为Spiro-OMeTAD溶液，它是将双三氟甲烷磺酰亚胺锂的乙腈溶液、Spiro-OMeTAD和4-叔丁基吡啶共溶于氯苯中得到。优化地，步骤(d)中，所述Au金属薄膜的厚度为80～120nm。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：本专利技术基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，通过设计特定的化学结构使得氰基连接至吡啶环上，强极性的氰基有利于钙钛矿薄膜生长的形貌控制，有利于制备了更大的晶粒尺寸；同时氰基和吡啶阳离子协同作用，能很好地钝化钙钛矿薄膜的内部缺陷，制备的钙钛矿薄膜具有很好的荧光性质；进一步通过阴离子的设计，还可以得到疏水的离子液体添加剂，能有效阻隔水和氧气对钙钛矿薄膜的破坏，获得更加稳定的钙钛矿薄膜；最终提高使用该添加剂的钙钛矿太阳能电池光电效率和器件稳定性。附图说明图1为本专利技术基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂制备流程图；图2为本专利技术基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂的核磁谱图：(a)实施例4中的，(b)实施例16中的；图3为本专利技术制备的钙钛矿薄膜的扫描电镜俯视图：(a)比较实验例1中制得的,(b)含有实施例5中添加剂的；图4为本专利技术制备的钙钛矿薄膜的荧光光谱图(基底为玻璃，激发波长为690nm)：(a)比较实验例1中制得的，(b)含有实施例5中添加剂的；图5为本专利技术制备的钙钛矿薄膜的接触角测试图：(a)比较实验例1中制得的，(b)含有实施例5中添加剂的；图6为本专利技术制备的钙钛矿薄膜的电流-电压曲线图：(a)比较实验例1中制得的，(b)含有实施例5中添加剂的；图7为本专利技术制备的钙钛矿薄膜的电流-电压曲线图：(a)比较实验例1中制得的，(b)含有实施例5中添加剂的。具体实施方式本专利技术基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，它的化学结构通式是：式中，n为0～9的整数；Z为Br、I、Cl、BF4、PF6或TFSI。通过设计特定的化学结构使得氰基连接至吡啶环上，强极性的氰基有利于钙钛矿薄膜生长的形貌控制，有利于制备了更大的晶粒尺寸；同时氰基和吡啶阳离子协同作用，能很好地钝化钙钛矿薄膜的内部缺陷，制备的钙钛矿薄膜具有很好的荧光性质；进一步通过阴离子的设计，还可以得到疏水的离子液体添加剂，能有效阻隔水和氧气对钙钛矿薄膜的破坏，获得更加稳定的钙钛矿薄膜；最终提高使用该添加剂的钙钛矿太阳能电池光电效率和器件稳定性。上述的氰基连接在吡啶环的2、3或4位上，优选是3或4位上，因为2号位的化学结构位阻更大。n优选为3～7的整数，n太小，添加剂自身容易团聚；n太大，离子液体的导电性变差。Z优选为Br、I、BF4或TFSI，更大尺寸的阴离子掺杂后更增强钙钛矿薄膜的结构稳定性；而PF6含氟原子太多，且自身在电池工作电压下更容易发生氧化还原作用而分解释放F。上述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂的应用，它包括以下步骤：(a)将所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂与钙钛矿材料溶液混合配制成前驱体混合溶液；(b)将所述前驱体混合溶液旋涂至带有TiO2电子传输层的导电玻璃衬底上成膜，退火形成结晶的钙钛矿薄膜；(c)在所述钙钛矿薄膜上涂空含有空穴传输材料的混合溶液得空穴传输层；(d)在所述空穴传输层上蒸镀Au金属薄膜作为背电极即可。步骤(a)中，所述钙钛矿材料溶液包含MAPbI3、MAPb(I,Br)3或(FAMA)Pb(I,Br)3，具体为：MAPbI3：methylammoniumleadiodide，CH3NH3PbI3；MAPb(I,Br)3)：methylammoniumleadiodide/bromide；(FAMA)Pb(I,Br)3：Formamidinium/methylammoniumleadiodide/bromide。所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂与所述钙钛矿材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，其特征在于，它的化学结构通式是：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，其特征在于，它的化学结构通式是：



式中，n为0～9的整数；Z为Br、I、Cl、BF4、PF6或TFSI。


2.根据权利要求1所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，其特征在于：所述氰基连接在吡啶环的2、3或4位上。


3.根据权利要求2所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，其特征在于：所述氰基连接在吡啶环的3或4位上。


4.根据权利要求2所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，其特征在于：n为3～7的整数。


5.根据权利要求2所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂，其特征在于：Z为Br、I、BF4或TFSI。


6.权利要求1至5中任一所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂的应用，其特征在于，它包括以下步骤：
(a)将所述基于氰基吡啶类离子液体的钙钛矿太阳能电池用添加剂与钙钛矿材料溶液混合配制成前驱体混合溶液；
(b)将所述前驱体混合溶液旋涂至带有TiO2电子传输层的导电玻璃衬底上成膜，退火形成结晶的钙钛矿薄膜；
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，邹贵付，姜聪慧，李龙飞，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32