基于金刚烷衍生物的埋底界面缺陷钝化与应力释放及其钙钛矿太阳能电池制备方法技术

本发明专利技术涉及基于金刚烷衍生物的埋底界面缺陷钝化与应力释放及其钙钛矿太阳能电池制备方法，属于光电材料与器件技术领域。本发明专利技术提供了一种含有金刚烷衍生物的正置钙钛矿太阳能电池，该正置钙钛矿太阳能电池将含羧基或羰基的取代基的金刚烷衍生物作为界面修饰层，利用金刚烷衍生物上的羰基(C＝O)与电子传输层中的金属离子进行配位，有效钝化电子传输层中氧空位或未配位的锡缺陷，改善电子传输层的电学性能；同时，金刚烷衍生物上的羰基(C＝O)可与钙钛矿吸光层上的金属离子进行配位，钝化钙钛矿薄膜底表面未配位的金属缺陷，释放钙钛矿薄膜的拉伸应力，增加钙钛矿薄膜的载流子寿命，抑制界面载流子非辐射复合。抑制界面载流子非辐射复合。抑制界面载流子非辐射复合。

【技术实现步骤摘要】
基于金刚烷衍生物的埋底界面缺陷钝化与应力释放及其钙钛矿太阳能电池制备方法


[0001]本专利技术属于光电材料与器件
，具体涉及基于金刚烷衍生物的埋底界面缺陷钝化与应力释放及其钙钛矿太阳能电池制备方法。

技术介绍

[0002]有机
‑
无机杂化金属卤化物钙钛矿的优异光电性能使其可应用于各种光电器件中。2009 年，日本东京大学Tsutomu Miyasaka教授课题组首次报道了效率为3.8％的钙钛矿太阳能电池(PSC)。自此之后，PSC在效率及稳定性方面取得了显著的研究进展。目前，已经有几个课题组实现了超过25％的功率转换效率(PCE)。其中，大多数研究工作集中于优化电子传输层 (ETL)以及钙钛矿层与电子传输层之间的界面。这表明，通过最小化ETL/钙钛矿界面的非辐射复合损失进一步缩小实际值与Shockley
‑
Queisser(SQ)极限值之间的效率差距至关重要。在正置PSC中，常常使用氧化锡(SnO2)和二氧化钛(TiO2)作为电子传输层。基于SnO2和 TiO2电子传输层的PSCs均已经实现超过25％的效率。然而，TiO2电子传输层仍然面临以下挑战：首先，制备TiO2电子传输层通常需要高温退火工艺，这会使器件制备工艺复杂化，增加器件制备成本。其次，由于TiO2具有光催化活性，因此基于TiO2电子传输层的PSC常常具有较差的紫外稳定性。最后，基于TiO2电子传输层的PSC常常表现出不同程度的迟滞效应。相比之下，SnO2电子传输层因具有电子迁移率高、薄膜退火温度低及光催化活性低等优势而被证明是一种有潜力的电子传输材料。
[0003]在基于SnO2电子传输层的正置PSC中，钙钛矿/空穴传输层(HTL)和钙钛矿/ETL界面对于高效稳定的PSC至关重要。过去，大多数研究工作都集中在调控钙钛矿/HTL界面。相比之下，有关调控钙钛矿/ETL界面的工作相对比较少。目前，正置器件中的钙钛矿/ETL界面通常被称为埋底界面。一方面，预沉积在钙钛矿/ETL界面的界面分子容易被钙钛矿前驱体溶液中的极性溶剂(如二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO))溶解。另一方面，对埋底界面缺陷的原位表征要比顶界面困难得多。鉴于此，调控钙钛矿/ETL界面比调控钙钛矿/HTL界面更具挑战性。埋底界面缺陷不仅来源于钙钛矿薄膜的下表面，也来源于SnO2薄膜的上表面，是界面载流子非辐射复合损失的主要原因之一。快速结晶过程会导致多晶钙钛矿薄膜产生大量缺陷，这些缺陷通常分布在晶界(GB)和界面处。这些缺陷通常是深能级缺陷，会造成严重的载流子非辐射复合，从而降低器件性能。此外，在SnO2电子传输层表面常常存在大量氧空位缺陷，这会降低其电子提取和传输效率，导致载流子非辐射复合，从而降低器件光伏性能。此外，残余应变常常存在于钙钛矿薄膜中，可分为压缩和拉伸应变。许多因素会导致钙钛矿薄膜产生应变，如钙钛矿与电荷传输材料之间的热膨胀系数差异、钙钛矿与衬底之间的晶格失配、温度梯度、光/偏压刺激、相变和晶界。钙钛矿薄膜中的应变对能带结构、载流子迁移率、带隙、离子迁移和缺陷形成能有显著的影响。据报道，拉伸应变能够增加带隙，而压缩应变能够减小带隙。通过调节阳离子堆叠模式进而调控微应变可增加载流子迁移率。已有研究报道压缩应变增加离子迁移的活化能，而拉升应变能够降低离子迁移活
化能。因此，拉伸应变会造成载流子非辐射复合损失，不利于电池的效率和稳定性。迫切需要开发合适的界面改性分子来治愈陷阱态和释放埋底界面应力。
[0004]迄今为止，国内外研究人员围绕埋底界面缺陷钝化及应力释放已经开展了系统深入的研究：例如，重庆大学陈江照老师课题组报道了ImAcHCl和FBABF4离子液体能够有效钝化界面缺陷、改善界面能带排列和调控钙钛矿晶体生长，同时也采用无机K2SO4改性SnO2/钙钛矿埋底界面，实现了缺陷钝化及能带调控；上海交通大学赵一新教授课题组将碘化铯纳入氧化锡电子传输层，揭示了CsI能够钝化界面缺陷、促进钙钛矿晶体生长、调控能带排列及提升器件紫外稳定性；武汉理工大学钟杰教授课题组使用3Cl
‑
BSAK有机钾盐修饰SnO2/钙钛矿埋底界面，钝化界面缺陷、抑制非辐射复合及降低迟滞。虽然已经取得了显著的进展，但是上述报道的界面分子常常只能钝化埋底界面缺陷，而不能释放界面应力。过去几年，研究者付出巨大的努力通过组分与维度工程来释放钙钛矿薄膜及钙钛矿/空穴传输层界面的应力。然而，通过界面工程来释放界面应力的研究还比较少：例如，Edward H.Sargent教授课题组使用具有高热膨胀系数的PDCBT空穴传输层来制备正置钙钛矿太阳能电池，证明了空穴传输层的压缩应变能够有效补偿残余拉伸应变，而且揭示了通过引入拉伸应变可增加离子迁移活化能，从而提高钙钛矿薄膜及器件的稳定性；暨南大学唐群委教授课题组在CsPbBr3与ETL之间引入 WS2界面层，释放了界面应变，增加了电池的效率和稳定性。需要指出的是，上述报道的界面分子仅能起到释放界面应力的作用，而不能有效钝化界面缺陷。
[0005]因此为了同时实现界面缺陷钝化与应力释放，有必要采用多活性位点配体分子对界面进行修饰以改善钙钛矿太阳能电池的性能。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种含有金刚烷衍生物的正置钙钛矿太阳能电池；本专利技术的目的之二一种含有金刚烷衍生物的正置钙钛矿太阳能电池的制备方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]1、一种含有金刚烷衍生物的正置钙钛矿太阳能电池，所述正置钙钛矿太阳能电池中包含界面修饰层，所述界面修饰层的材料为金刚烷衍生物；
[0009]所述金刚烷衍生物中连接有含羧基或羰基的取代基。
[0010]优选的，所述金刚烷衍生物为金刚烷乙酸、金刚烷羧酸或金刚烷酮中的任意一种或几种。
[0011]进一步优选的，所述正置钙钛矿太阳能电池从下往上依次由导电基底层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和背电极层叠组成；
[0012]所述导电基底层的材料为ITO或FTO；
[0013]所述电子传输层的材料为SnO2、ZnO、TiO2或CeO2中的任意一种或几种；
[0014]所述空穴传输层的材料为2,2',7,7'
‑
四[N,N
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]‑
9,9'
‑
螺二芴、聚[双(4
‑ꢀ
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺]、聚(3
‑
己基噻吩
‑
2,5
‑
二基)或氧化镍中的任意一种或几种。
[0015]进一步优选的，所述钙钛矿吸光层为ABX3钙钛矿吸光层；
[0016]所述ABX3中A为CH3NH
3+
、CH(NH2)
2+
、Cs
+
或Rb
+
中的任意一种或几种，B为Pb
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有金刚烷衍生物的正置钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述正置钙钛矿太阳能电池中包含界面修饰层，所述界面修饰层的材料为金刚烷衍生物；所述金刚烷衍生物中连接有含羧基或羰基的取代基。2.根据权利要求1所述的正置钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述金刚烷衍生物为金刚烷乙酸、金刚烷羧酸或金刚烷酮中的任意一种或几种。3.根据权利要求2所述的正置钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述正置钙钛矿太阳能电池从下往上依次由导电基底层、电子传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和背电极层叠组成；所述导电基底层的材料为ITO或FTO；所述电子传输层的材料为SnO2、ZnO、TiO2或CeO2中的任意一种或几种；所述空穴传输层的材料为2,2',7,7'
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四[N,N
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二(4
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甲氧基苯基)氨基]
‑
9,9'
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螺二芴、聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺]、聚(3
‑
己基噻吩
‑
2,5
‑
二基)或氧化镍中的任意一种或几种。4.根据权利要求3所述的正置钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层为ABX3钙钛矿吸光层；所述ABX3中A为CH3NH
3+
、CH(NH2)
2+
、Cs
+
或Rb
+
中的任意一种或几种，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江照，周倩，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：