一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法及其应用技术

本发明专利技术属于钙钛矿太阳电池技术领域，具体涉及一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法及其应用。本发明专利技术在倒置结构钙钛矿太阳电池器件的空穴传输层/钙钛矿界面间修饰含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子层，可以提高空穴传输材料对钙钛矿前驱体溶液的浸润性，有利于在空穴传输层上获得高结晶质量的钙钛矿薄膜；降低空穴提取界面以及钙钛矿薄膜内部的缺陷密度，抑制界面载流子复合；增强空穴传输层的空穴提取与传输的能力；使钙钛矿薄膜平整致密，有利于钙钛矿层上方形成高质均匀的电子传输层，改善钙钛矿层与电子传输层的界面接触，从而有效地解决倒置钙钛矿太阳电池中存在的空穴提取界面能级不匹配、浸润性差和缺陷多等问题。陷多等问题。陷多等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法及其应用


[0001]本专利技术属于钙钛矿太阳电池
，具体涉及一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，钙钛矿材料因具有低成本、可溶液法制备、带隙可调、激子结合能低、载流子迁移率高等优势而成为光伏领域中最具发展潜力的新型半导体材料之一。目前为止，单结钙钛矿太阳电池(PSC)的光电转化效率(PCE)已从3.8％迅速提升到25.7％的认证效率。其中，在不同结构的PSC器件中，倒置结构(p
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i
‑
n)钙钛矿太阳电池具有制备工艺简单、可低温制备、无明显迟滞效应、稳定性良好等优势，同时适用于柔性、叠层太阳电池等器件的制备，展现出广阔的应用前景。
[0003]空穴传输层(HTL)是PSC中的重要组成部分之一，主要作用是提取钙钛矿层产生的光生空穴并将其传输到电极，因此空穴传输材料的能级需要与钙钛矿层以及电极的能级相匹配，以便高效提取并输送空穴，同时阻挡电子以抑制复合。在倒置结构的PSC器件中，HTL还作为钙钛矿薄膜的生长衬底，极大地影响着钙钛矿薄膜的质量，其中HTL/钙钛矿界面的接触和能级匹配更是在很大程度上决定了PSC的性能。
[0004]目前，钙钛矿太阳电池中的空穴传输层材料主要有无机空穴传输材料和有机空穴传输材料两种。其中，可用于p
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i
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n型结构器件中的常见无机空穴传输材料主要有氧化镍(NiO
x
)、氧化铜(CuO
x
)、碘化铜(CuI)、硫氰酸亚铜(CuSCN)等，有机空穴传输材料则主要有聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
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三甲基苯基)胺](PTAA)、聚(3,4
‑
亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚(3
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己基噻吩
‑
2,5
‑
二基)(P3HT)、聚[双(4
‑
苯基)(4
‑
丁基苯基)胺](Poly
‑
TPD)等。虽然无机空穴传输材料拥有稳定性好和成本低廉的优势，但因为需要高温退火处理而限制了其工业化应用前景。比如，NiO
x
的价带底大约为
‑
5.2eV，在很多情况下和钙钛矿不够匹配，导致电池开路电压损失严重。通过对空穴传输层进行修饰，调节价带位置以改善其与钙钛矿层之间的能级匹配，将有利于载流子的高效提取以及器件开路电压(V
oc
)的有效提升，最终提高器件的光电转化效率。与沉积后通常需要高温烧结的无机金属氧化物相比，一方面，溶液处理的有机空穴传输层的制备工艺简单且需要较低的温度，在柔性器件中有更好的应用前景。另一方面，共轭有机导电聚合物材料由于能更好地与钙钛矿进行能级匹配，在提供高V
oc
方面表现出巨大的潜力，有望获得更好的器件性能。例如，PTAA因具有合适的能级，较高的空穴迁移率，高光学透过率和可低温溶液加工性而被作为有机空穴传输层材料广泛应用于p
‑
i
‑
n型器件中。然而，这些共轭聚合物薄膜对钙钛矿前驱液的浸润性较差，从而一定程度上严重影响了钙钛矿薄膜的结晶和表面形貌，导致器件的可重复性较差。此外，由于HTL与钙钛矿活性层之间的电学接触不良，会引发额外的载流子非辐射复合，进而限制了p
‑
i
‑
n型器件的性能提升。针对这个问题，此前有研究者提出在钙钛矿前驱体溶液旋涂前将适量的DMF溶剂旋涂在PTAA衬底上，可以在一定程度上改善PTAA薄膜的浸润性。但
是这种溶剂处理的工艺并不能彻底解决问题，尤其是面对分子量更大的聚合物空穴传输材料时，仍然无法获得完全覆盖均匀的钙钛矿薄膜。
[0005]综上可见，在钙钛矿太阳电池中，空穴提取界面的修饰对器件性能的提高起着重要的作用。无论是对空穴传输层进行能级调控，增强电荷传输并减少界面处的电荷复合，保证电荷有效地提取并传输到电极，还是对空穴传输材料层进行表面化学修饰，诱导致密平滑的高质量钙钛矿薄膜的形成，都有助于获得高效的钙钛矿太阳电池。因此，有必要提供一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法，以解决倒置结构钙钛矿太阳电池中存在的界面接触差、空穴提取不理想以及非辐射复合严重等问题。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的首要目的是提供一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法。该修饰方法能够提高空穴传输材料对钙钛矿前驱体溶液的浸润性，进而在空穴传输层上获得高质量的钙钛矿薄膜；能够有效促进空穴提取界面的空穴提取能力以及降低界面以及钙钛矿薄膜内部的缺陷密度，抑制界面载流子复合；能够使钙钛矿薄膜平整致密，有利于钙钛矿层以上高质均匀的电子传输层的沉积，改善钙钛矿与电子传输层的界面接触。
[0007]本专利技术的第二个目的是提供上述修饰方法在制备钙钛矿太阳电池中的应用。
[0008]本专利技术的上述第一个目的是通过以下技术方案来实现的：
[0009]本专利技术提供了一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法，具体为：在倒置结构钙钛矿太阳电池器件的空穴传输层/钙钛矿界面间修饰含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子层，所述含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子的结构式如下所示：
[0010][0011]式中，n＝1、2、3、4；R选自H、F、Cl、Br、I、CN、NO3、NH3、CH3或OCH3。
[0012]优选地，将含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子层修饰于空穴传输层表面。
[0013]优选地，所述含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子为2PACz，所述2PACz的结构式如下所示：
[0014][0015]本专利技术通过在空穴传输层和钙钛矿活性层之间引入含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子界面修饰层，从而提高空穴传输层对钙钛矿前驱体溶液的浸润性，获得高结晶度和低缺陷密度的钙钛矿薄膜。同时显著提升空穴传输层与钙钛矿层之间的能级匹配度，促进界面空穴的提取，进而提高钙钛矿太阳电池的性能。本专利技术方法有效地解决了倒置结构钙钛矿太阳电池中存在的空穴传输层与钙钛矿层之间界面接触差、空穴提取不理想以及非辐射复合严重等问题。并且可获得>1.1V的高开路电压和>20％的光电转换效率，为高效稳定的钙钛矿光伏器件的商业化应用提供了技术储备。
[0016]本专利技术的上述第二个目的是通过以下技术方案来实现的：
[0017]本专利技术还提供了所述的一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法在制备钙钛矿太阳电池中的应用。
[0018]本专利技术还提供了一种基于空穴提取界面修饰层的倒置结构钙钛矿太阳电池，所述倒置结构钙钛矿太阳电池包括导电基底(Substrate)、空穴传输层(HTL)、采用上述的修饰方法制备得到的界面修饰层(Interlayer)、钙钛矿活性层(P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法，其特征在于，在倒置结构钙钛矿太阳电池器件的空穴传输层/钙钛矿层界面间修饰含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子层，所述含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子的结构式如下所示：式中，n＝1、2、3、4；R选自H、F、Cl、Br、I、CN、NO3、NH3、CH3或OCH3。2.根据权利要求1所述的一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法，其特征在于，将含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子层修饰于空穴传输层表面。3.根据权利要求1所述的一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法，其特征在于，所述含膦酸基团的咔唑基衍生物有机小分子为2PACz，所述2PACz的结构式如下所示：4.权利要求1
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3任一项所述的一种对倒置钙钛矿太阳电池中空穴提取界面的修饰方法在制备钙钛矿太阳电池中的应用。5.一种基于空穴提取界面修饰层的倒置结构钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述倒置结构钙钛矿太阳电池包括导电基底、空穴传输层、采用权利要求1
‑
3任一项所述的修饰方法制备得到的界面修饰层、钙钛矿活性层、电子传输层、空穴阻挡层和顶电极。6.根据权利要求5所述的一种基于空穴提取界面修饰层的倒置结构钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层所用的材料包括聚[双(4
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苯基)(2,4,6
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三甲基苯基)胺]、聚(3,4
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亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)、聚(3
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己基噻吩

【专利技术属性】
技术研发人员：吴武强，谭颖，钟均星，常雪晴，田甜，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：