一种通过官能团协同效应稳定钙钛矿/电子传输层界面的方法及其在太阳能电池中的应用技术

本发明专利技术涉及一种通过官能团协同效应稳定钙钛矿/电子传输层界面的方法及其在太阳能电池中的应用，属于钙钛矿太阳能电池制备技术领域。本发明专利技术主要是将界面改性分子(包含钾阳离子(K

【技术实现步骤摘要】
一种通过官能团协同效应稳定钙钛矿/电子传输层界面的方法及其在太阳能电池中的应用


[0001]本专利技术属于钙钛矿太阳能电池制备
，具体涉及一种稳定钙钛矿/电子传输层界面的方法，以及一种钙钛矿太阳能电池和制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于经济的快速发展以及人类高信息化时代的到来，能源短缺和环境污染问题越来越严峻。太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源。因此，对太阳能的开发利用是解决以上问题的有效方法之一。能够将太阳能直接转换为电能的太阳能电池是开发利用太阳能的重要方式之一。钙钛矿太阳能电池属于第三代新兴太阳能电池，具有低成本、溶液加工及高的功率转换效率等优势，已经得到了学术界和工业界的广泛关注。金属卤钙钛矿材料优异的光电性能导致钙钛矿太阳能电池的效率从3.8％迅速增加到认证的25.7％。然而，界面载流子非辐射复合损失阻碍了电池效率及稳定性的进一步提升。在正置钙钛矿太阳能电池中，电子传输层与钙钛矿层之间的界面常常被称为“埋底界面”。相比于钙钛矿层与空穴传输层之间的界面，调控埋底界面更具挑战性。埋底界面缺陷是导致界面非辐射复合损失的一个主要原因。据报道，在晶界及界面的缺陷密度比在钙钛矿晶粒内部的缺陷密度高很多。而且，带正电和负电的缺陷可能同时存在于埋底界面，常常属于深能级缺陷。众所周知，大量的锡间隙缺陷(Sn
i
)和氧空位缺陷(V
o
)常常分布在氧化锡电子传输层的表面及其内部。这些缺陷能够自发形成，影响氧化锡薄膜的光电性质及其能级。在异质结界面处的载流子容易被界面深能级陷阱态俘获，导致界面非辐射复合损失，从而降低电池性能。除了界面缺陷，由不理想的界面能级排列造成的界面能垒也会导致界面载流子非辐射复合。通过合适的界面修饰能够改善界面能带排列，最小化界面能垒，提升电池性能。钙钛矿薄膜质量对制备高效稳定钙钛矿太阳能电池至关重要，通常采用一步法或两步法来制备钙钛矿薄膜。然而，基于两步法制备的电池的效率仍然低于基于一步法制备的电池。相比于一步法，两步法更难控制钙钛矿结晶。已经广泛证明，通过修饰电子传输层衬底能够有效控制钙钛矿结晶过程。总之，迫切需要开发多功能分子来钝化界面缺陷、调节界面能带排列及调控钙钛矿结晶以管理界面载流子。
[0003]迄今为止，研究人员已经开发了各种各样的材料来修饰埋底界面。然而，报道的大多数界面分子具有相对单一功能，能够钝化缺陷、调节能带排列或调控钙钛矿结晶。丰富化学作用模式(如离子键、配位键和氢键)对同时实现以上功能极为重要。在众多的界面材料中，同时含有阴阳离子盐最适合用来与钙钛矿和氧化锡层形成多种化学键合。在盐分子中的阴阳离子能够与钙钛矿薄膜中带电缺陷形成离子键，从而同时钝化带正电和带负电的缺陷。引入阴阳离子中的氟官能团不仅能够与钙钛矿中有机阳离子形成氢键，而且能够与金属阳离子(Pb
2+
和Sn
4+
)形成配位键。这表明，氟化策略是一种实现多种化学键合和多种功能的行之有效的方法。除氟化策略之外，在阴阳离子中引入供电子官能团(如C＝O、S＝O和C＝S)是实现多种化学作用的另一种有效方法。这些配体官能团能够有效钝化缺陷和控制钙钛
矿结晶动力学。因此，有必要将氟和供电子官能团同时引入同一盐分子改性剂中，旨在将缺陷钝化、能带调控及结晶控制效果最大化。近年来，含有非卤素阴离子的添加剂或界面改性分子得到了广泛关注。非卤素阴离子在缺陷钝化、结晶调控及能带调节方面发挥重要的作用。然而，相比于卤素阴离子，非卤素阴离子的作用机制仍然不够清晰。此外，目前研究人员对同一阴离子中非卤素与卤素官能团之间的协同效应还缺乏理解。需要指出的是，大多数研究工作常常采用单一非卤素阴离子来修饰埋底界面，这不利于充分发挥非卤素阴离子的潜力。因此，迫切需要系统深入揭示非卤素阴离子结构、性质、缺陷密度、界面载流子动力学与器件性能之间的内在联系。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种通过官能团协同效应稳定钙钛矿/电子传输层界面的方法；本专利技术的目的之二在于提供一种钙钛矿太阳能电池；本专利技术的目的之三在于提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]1.一种通过官能团协同效应稳定钙钛矿/电子传输层界面的方法，所述方法通过在钙钛矿吸光层和电子传输层之间添加界面改性分子实现；
[0007]所述界面改性分子包含钾阳离子(K
+
)和阴离子，所述阴离子为有机阴离子或非有机阴离子，其中有机阴离子同时含有磺酰基和氟官能团，非有机阴离子包括氯离子。
[0008]优选的，所述界面改性分子为双三氟磺酰亚胺钾(KTFSI)、双氟磺酰亚胺钾(KFSI)、甲基磺酸钾(KMS)或氯化钾(KCl)中的任意一种。
[0009]2.一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池通过上述方法来形成稳定钙钛矿吸光层和电子传输层之间的界面修饰层。
[0010]优选的，所述钙钛矿太阳能电池由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、空穴传输层和金属背电极层叠组成。
[0011]优选的，所述导电基底层的材料为ITO或FTO中的任意一种；
[0012]所述电子传输层的材料为SnO2、TiO2、ZnO、BaSnO3或CeO2中的任意一种或几种；
[0013]所述钙钛矿吸光层为ABX3钙钛矿吸光层材料，其中A为CH3NH
3+
、CH(NH2)
2+
、Cs
+
或Rb
+
中的任意一种或几种，B为Pb
2+
、Sn
2+
或Ge
2+
中的任意一种或几种，X为Cl
‑
、Br
‑
或I
‑
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)、硫氰酸亚铜、碘化亚铜或氧化镍中的任意一种或几种；
[0015]所述背电极为Au、Ag或低温碳电极中的一种。
[0016]3.上述钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0017](1)将电子传输层的材料配制形成电子传输层溶液，旋涂于经预处理后的导电基底上，退火后进行紫外臭氧或Plasma等离子处理，在导电基底上形成电子传输层；
[0018](2)将界面改性分子溶液旋涂于经步骤(1)制备的电子传输层上，退火在电子传输层上形成界面修饰层；
[0019](3)首先将BX2溶液旋涂于经步骤(2)制备的界面修饰层上，在40～80℃下退本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过官能团协同效应稳定钙钛矿/电子传输层界面的方法，其特征在于，所述方法通过在钙钛矿吸光层和电子传输层之间添加界面改性分子实现；所述界面改性分子包含钾阳离子和阴离子，所述阴离子为有机阴离子或非有机阴离子，其中有机阴离子同时含有磺酰基和氟官能团，非有机阴离子包括氯离子。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述界面改性分子为双三氟磺酰亚胺钾、双氟磺酰亚胺钾、甲基磺酸钾或氯化钾中的任意一种。3.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池通过权利要求1～2任一项所述方法来形成稳定钙钛矿吸光层和电子传输层之间的界面修饰层。4.根据权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池由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、空穴传输层和金属背电极层叠组成。5.根据权利要求4所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述导电基底层的材料为ITO或FTO中的任意一种；所述电子传输层的材料为SnO2、TiO2、ZnO、BaSnO3或CeO2中的任意一种或几种；所述钙钛矿吸光层为ABX3钙钛矿吸光层材料，其中A为CH3NH
3+
、CH(NH2)
2+
、Cs
+
或Rb
+
中的任意一种或几种，B为Pb
2+
、Sn
2+
或Ge
2+
中的任意一种或几种，X为Cl
‑
、Br
‑
或I
‑
中的任意一种或几种；所述空穴传输层的材料为2,2',7,7'
‑
四[N,N
‑
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
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苯基)(2,4,6
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三甲基苯基)胺]、聚(3
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己基噻吩
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2,5
‑
二基)、硫氰酸亚铜、碘化亚铜或氧化镍中的任意一种或几种；所述背电极为Au、Ag或低温碳电极中的一种。6.权利要求3～5任一项所述钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将电子传输层的材料配制形成电子传输层溶液，旋涂于经预处理后的导电基底上，退火后进行紫外臭氧或Plasma等离子处理，在导电基底上形成电子传输层；...

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