一种以铅-卤加合物为界面钝化层的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以铅

【技术实现步骤摘要】
一种以铅
‑
卤加合物为界面钝化层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池
，具体涉及一种以铅
‑
卤加合物为界面钝化层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，详细而言，涉及利用钙钛矿吸光层上界面原位生长铅
‑
卤加合物用以钝化缺陷、降低离子迁移、阻止钙钛矿体系中阳离子脱离、抑制包含水分子在内的外部环境导致退化的钙钛矿系太阳能电池及其制造方法。

技术介绍

[0002]钙钛矿太阳能电池具有高的吸光系数，直接带隙能带结构，长的载流子寿命，可调节的禁带宽度等优异的光电性质，以及制备工艺简单、成本低廉等优势，成为第三代太阳能电池中的领军器件之一。目前，钙钛矿电池最高光电转换效率已经达到25.5％，硅/钙钛矿叠层电池效率达到29.5％。但是，相比于晶硅电池、砷化镓电池、铜铟镓硒电池等，钙钛矿光伏器件由于其稳定性问题抑制了其商业化应用。
[0003]钙钛矿太阳能电池作为全固态电池系统，光、热、电及湿度所带来的界面性质变化是各组成部分性质变化的集中体现。然而，由钙钛矿界面延伸至体相的退化问题变得突出，成为器件稳定性与效率提升的速控步，其界面问题包括：1.晶格周期性排列在表界面处被打断，由于不连续性而在禁带中引入了大量能量状态，这些表面态极大的增加了钙钛矿界面区域的载流子非辐射复合率；2.界面为了获得热力学稳定状态，会产生应力、缺陷以及悬挂键吸附等结构变化，对载流子输运甚至是晶体结构的稳定性造成破坏；3.缺陷可以捕获光生电荷形成局部电场，驱动离子重新分布并引起相分离，从而使“软”的钙钛矿稳定性退化，降低光电转换效率；4.钙钛矿薄膜表层存在不均匀分布碘化铅，和由钙钛矿纳米晶、无定形区域构成的缺陷活性层，初始化钙钛矿的退化过程。因此，界面钝化成为现阶段钙钛矿器件提升稳定性、降低开压损失的共性关键技术，要求开发出有效的界面钝化手段。

技术实现思路

本专利技术的目的在于：提供了一种基于铅
‑
卤加合物(Pb
‑
X adduct)的界面钝化层钙钛矿太阳能电池及其制备方法，解决了钙钛矿吸光层界面甲胺阳离子空位缺陷，甲脒阳离子空位缺陷，碘空位缺陷，大幅度提升钙钛矿吸光层载流子扩散长度，将钙钛矿界面由亲水性界面转化为疏水性界面，进而同时大幅度提升光伏器件耐湿度稳定性和光电转换效率。一种基于铅
‑
卤加合物的界面钝化层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述光伏器件从下到上依次为导电透光衬底、导电阴极、电子传输层、电子传输修饰层、钙钛矿吸光层、界面钝化层、空穴传输层以及导电阳极，且上述各层按序依次制备。进一步地，所述导电透光衬底采用玻璃和氟掺杂氧化锡(FTO)构成，FTO层厚度为200
‑
500nm；进一步地，所述电子传输层由氧化钛(TiO2)构成，薄膜厚度为5
‑
30nm。进一步地，所述电子传输修饰层由[6,6]‑
苯基
‑
碳61
‑
丁酸(PCBA)和聚苯乙烯(PS)
构成，薄膜厚度为1
‑
10nm。进一步地，所述钙钛矿吸光层由有机金属卤化物层构成，具体材料为甲脒铅碘(FAPbI3)/甲胺铅溴(MAPbBr3),薄膜厚度为500
‑
700nm。进一步地，所述界面钝化层的初始材料为季铵盐溴化物，其将于钙钛矿界面相互作用生成新物质铅
‑
卤加合物，其中原始溴化物季铵盐化学式如下：R4NBr其中，本专利技术中4个支链为完全等同的正烷基链，其单一支链碳数为1
‑
8，即从甲基到正辛基。基于溴化物季铵盐与钙钛矿界面发生化学作用，新的界面生成钝化物质铅
‑
卤加合物化学式如下：xPbI2·
yR4NBr此化学式另外可以写作：(R4N)
y
Pb
x
I
2x
Br
y
其中，随着单一支链数目变化，x和y值发生变化，其中x:y值处于2：1至1：2之间，该类铅
‑
卤加合物通过X射线衍射分析其最强衍射面间距为0.7
‑
1.6nm之间。其中，本专利技术中溴化物季铵盐其单一支链碳数目为12
‑
18，即从正十二烷基到正十八烷基，基于此溴化物季铵盐与钙钛矿界面发生化学作用，新的界面生成钝化物质为碘化物季铵盐，其化学式如下：R4NI所述界面钝化层厚度为1
‑
20nm，更优为2
‑
10nm。进一步地，所述空穴传输层为2,2',7,7'
‑
四[N,N
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]‑
9,9'
‑
螺二芴(Spiro
‑
OMeTAD)，薄膜厚度为160
‑
200nm。进一步地，所述导电阳极包括金(Au)、银(Ag)、铝(Al)或铜(Cu)的一种或多种，厚度为60
‑
120nm。本专利技术所述的一种以铅
‑
卤加合物为界面钝化层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，其特征包括以下步骤：步骤1：将方块电阻为5
‑
10Ω
·
sq
‑1的导电透明衬底FTO玻璃依次采用去离子水清洗，浸泡在0.04
‑
0.08g/ml的氢氧化钾的乙醇溶液中超声10
‑
20分钟，去离子水清洗2
‑
3次，乙醇溶液浸泡，氮气吹干，紫外臭氧处理10分钟后使用；步骤2：在衬底表面旋涂0.10
‑
0.15M的钛酸四异丙酯的异丙醇溶液，旋涂转速4000rpm，旋涂时间25秒，取下后在马弗炉中进行500℃高温退火1小时，自然冷却后使用0.01
‑
0.025M四氯化钛水溶液在70℃下浸泡后30分钟，取出，吹干，然后进行450℃高温退火，制备得到电子传输层；步骤三：在基片上旋涂PCBA/PS的氯苯溶液，其中溶液浓度为PCBA0.1
‑
0.5mg/ml，PS1
‑
2mg/ml,旋涂条件为5000rpm30秒；步骤四：配置钙钛矿溶液，其溶液为1.52M的PbI2，1.45M的FAI,0.05M的MAPbBr3和0.55M的MACl溶解于DMSO/DMF溶液中，其中DMSO和DMF的体积比为1：8，溶液搅拌4
‑
6小时使用；步骤五：在无水、无氧气、无灰尘环境中，一般可以通过手套箱设备实现，在基片上旋涂钙钛矿溶液，旋涂转速1000rpm10秒后接5000rpm30s，采用反溶剂法在5000rpm过程的
第15秒应用移液枪或者滴管注入150ul氯苯溶液，取下基片后在10
‑
30％相对湿度空气环境中在120℃热台上加热25分钟。步骤六：在无水、无氧气、无灰尘环境中，一般可以通过手套箱设备实现，在钙钛矿吸光层上原位生长界面钝化层，具体为在钙钛矿以500
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铅
‑
卤加合物的界面钝化层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述光伏器件从下到上依次为导电透光衬底、导电阴极、电子传输层、电子传输修饰层、钙钛矿吸光层、界面钝化层、空穴传输层以及导电阳极，且上述各层按序依次制备，所述界面钝化材料为铅
‑
卤加合物，所述界面钝化层厚度为1
‑
20nm。2.根据权利要求1所述的一种基于铅
‑
卤加合物的界面钝化层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述铅
‑
卤加合物为满足化学式R4NBr的溴化物季铵盐和铅
‑
卤八面体的反应产物，在所述化学式中，4个支链R为完全等同的正烷基链，其单一支链碳数为1
‑
8，即从甲基到正辛基，铅
‑
卤八面体包含碘化铅，含铅钙钛矿生成物铅
‑
卤加合物化学组成为xPbI2·
yR4NBr,，此加合物也可以用(R4N)
y
Pb
x
I
2x
Br
y
该名称描述,x:y值处于2：1至1：2之间。3.根据权利要求2所述的一种基于铅
‑
卤加合物的界面钝化层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：铅
‑
卤加合物X射线最强衍射面间距在0.7
‑
1.6nm之间。4.根据权利要求1所述的一种基于铅
‑
卤加合物的界面钝化层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述铅
‑
卤加合物为满足化学式R4NBr的溴化物季铵盐和铅
‑
卤八面体的反应产物，在所述化学式中，支链R为完全等同的正辛基，该溴化物季铵盐化学名称为四正辛基溴化铵(TOcABr)，铅
‑
卤八面体包含碘化铅、含铅钙钛矿，生成物铅
‑
卤加合物化学式为3PbI2·
4(TOc)4ABr,Toc指代正辛基，A指代氮元素，此加合物也可以用(TOcA)4Pb3I6Br4该名称描述。5.根据权利要求4所述的一种基于铅
‑
卤加合物的界面钝化层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：铅
‑
卤加合物3PbI2·
4(TOc)4Abr的X射线最强衍射面间距为6.根据权利要求1所述的一种基于铅
‑
卤加合物的界面钝化层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：铅
‑
卤加合物界面晶体取向为面外生长。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红时，李冬梅，孟庆波，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：