一种协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池制造技术

一种协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池，具有钙钛矿活性层，钙钛矿材料的化学式为FA

【技术实现步骤摘要】
一种协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池


[0001]本专利技术涉及一种钙钛矿太阳能电池，具体涉及一种协同改善缺陷及离子迁移的高效、稳定钙钛矿太阳能电池。

技术介绍

[0002]钙钛矿太阳能电池属于第三代太阳能电池光伏技术，结构依次为电子传输层(ETL,如SnO2、TiO2)、钙钛矿吸光材料(ABX3(A＝CH3NH3(MA)或者Cs等,B＝Pb、Sn等，X＝I,Br,Cl))、空穴传输层(HTL，如spiro
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OMeTAD)以及金属对电极组成。由于其效率高、成本低、工艺简单以及环境友好，已成为了光电器件领域的研究重点。2022年，其光电转化效率已达到25.7％，显示了极高的发展应用潜力。尽管作为一种新型的光伏器件，钙钛矿太阳能电池所取得的光电转换效率已远远超过其他类型太阳能电池；但以有机
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无机杂化钙钛矿为吸光材料的器件对光热以及水氧等极其敏感，易分解，使得该类器件的稳定性差，限制了钙钛矿太阳能电池的实用化。
[0003]CN109545970A公开了一种提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的方法及钙钛矿太阳能电池；通过在制备钙钛矿吸光层的反溶剂中添加少量的疏水有机小分子提高了钙钛矿太阳能电池的效率和未封装条件下在空气中的稳定性。钙钛矿太阳能电池根据结构的不同，分为正式和反式两种，其钙钛矿吸光层均为ABX3结构。结果表明，在反溶剂中添加的小分子为结构中含有噻吩结构单元，或含有S,N,O元素中任何一种原子的的共轭有机小分子，在两种器件结构中都可以起到减少钙钛矿层的晶界和表面缺陷的作用，最终达到提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的目的。该方法将含有噻吩结构单元、或含有S,N,O元素中任何一种原子的的共轭有机小分子添加在反溶剂中，通过与晶格内B位元素(例如Pb
2+
)形成配位键进而稳定钙钛矿晶格。该方法从钙钛矿材料晶格的角度讨论了钙钛矿稳定性的解决方法。但缺点是只讨论了B位元素，而晶格内A位元素的不稳定并没有提出解决方法。
[0004]CN111740015A公开了一种提升钙钛矿太阳能电池稳定性用钙钛矿前驱体溶液，将碘甲脒和碘化铯加入溶剂中，搅拌后加入溴甲胺，搅拌后加入碘化铅、3,4
‑
二氯苯胺，搅拌得到提升钙钛矿太阳能电池稳定性用钙钛矿前驱体溶液；将提升钙钛矿太阳能电池稳定性用钙钛矿前驱体溶液旋涂于基底上，热退火得到钙钛矿薄膜，作为太阳能电池的吸光层。制备的提升钙钛矿太阳能电池稳定性用钙钛矿前驱体溶液替换现有钙钛矿层，解决现有钙钛矿成矿技术中存在的缺陷，提供一种用于电池制备过程中对工艺环境要求低、制备方法便捷，且能实现在普通环境中保持很长时间性状稳定的钙钛矿稳定性提升手段。相对于甲胺(CH3NH3)，甲脒(N2H4CH)和铯(Cs)在钙钛矿晶格中的稳定性更好，该方法在钙钛矿晶格A位通过用甲脒和铯替代部分甲胺，达到改善钙钛矿材料稳定性的目的。但同样的缺点是只讨论了A位元素。
[0005]CN113416155A公开了一种钙钛矿太阳能电池添加剂的制备方法及其应用，包括以下步骤：1)取四氟硼酸溶液于玻璃器皿中，然后向四氟硼酸溶液中缓慢添加碳酸胍粉末，添
加过程中不断搅拌，使两者充分反应，直至不再生成气泡；2)采用布氏漏斗抽滤，将反应生成的沉淀分离出来，再用二氯甲烷有机溶剂对沉淀进行洗涤，得到四氟硼酸胍白色沉淀；3)将所得四氟硼酸胍白色沉淀放置于真空干燥箱中进行干燥，得到四氟硼酸胍添加剂，将其应用于钙钛矿太阳能电池的钙钛矿活性层中，能够有效提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，并使其能够在保证较高的光电转换效率下有更长的使用寿命，提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。该方法用四氟硼酸胍作为钙钛矿材料中的添加剂，通过改善钙钛矿材料中的电荷传输、钝化内部缺陷，进而达到提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和改善稳定性的目的。该方法的缺点是钝化效果的单一性。虽然钙钛矿材料本身的缺陷容忍度较高，但材料内部的各种Schottky和Frankel缺陷等并不能被彻底消除。
[0006]以上几种方法对钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性有一定的提高作用，但依然难以实现高效率和高稳定性。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种同时具有高光电转化效率和高湿度稳定性的钙钛矿太阳能电池。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池，具有钙钛矿活性层，钙钛矿材料的化学式为FA
x
MA
y
Cs
z
PbX3，x+y+z＝1，X选自I，Br，Cl中的一种、两种或三种元素；所述钙钛矿活性层中还含有可变价材料；
[0009]所述可变价材料为：含Ni
2+
和Ni
3+
的物质、含Cu
+
和Cu
2+
的物质、含Co
3+
和Co
2+
的物质、SeCN和Se(CN)2的组合、二硫化物和硫醇盐的组合、二茂铁和二茂铁盐的组合中的一种或两种以上。
[0010]优选地，所述含Ni
2+
和Ni
3+
的物质中的阴离子为含有多吡啶或含F的基团。
[0011]优选地，所述含Cu
+
和Cu
2+
的物质中的阴离子为SCN
‑
和/或Br
‑
。
[0012]优选地，所述含Co
3+
和Co
2+
的物质中的阴离子为含有多吡啶或含F的基团。
[0013]本专利技术采用一类“可变价”电活性物质，其作用在于：可变价材料中的阳离子能钝化Pb0、I0等缺陷提高钙钛矿太阳能电池光电效率，阴离子与未配位Pb
2+
等离子作用改善钙钛矿晶体相稳定性；可变价材料中不同价态的变价离子都有一定含量即可，如高价态离子摩尔量∶低价态离子摩尔量＝1∶5～5∶1。
[0014]优选地，所述协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池中，还设有电子传输层、负电聚合物层、正电聚合物层、和空穴传输层；
[0015]所述负电聚合物层位于电子传输层与钙钛矿活性层之间，所述正电聚合物层位于钙钛矿活性层与空穴传输层之间，负电聚合物层和正电聚合物层都与所述钙钛矿活性层相邻。
[0016]钙钛矿太阳能电池在钙钛矿层上下有两个电荷传输层，电荷传输层决定了电荷的提取和传输。因此，在电荷传输层和钙钛矿层之间不可避免地会形成一个界面，这些界面易成为非辐射的复合中心导致器件的能量损失严重，降低器件的效率和稳定性。本专利技术中正电聚合物和负电聚合物分别在钙钛矿薄膜上下界面形成正电、负电荷层，进而在钙钛矿薄膜两侧形成一个电场，加速载流子分离传输；位于钙钛矿底部的负电聚合物可以通过路易
斯配位/静电耦合作用与电子传输层反应，钝化其中的氧空位缺陷；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池，具有钙钛矿活性层，其特征在于，钙钛矿材料的化学式为FA
x
MA
y
Cs
z
PbX3，x+y+z=1，X选自I，Br，Cl中的一种、两种或三种元素；所述钙钛矿活性层中还含有可变价材料；所述可变价材料为：含Ni
2+
和Ni
3+
的物质、含Cu
+
和Cu
2+
的物质、含Co
3+
和Co
2+
的物质、SeCN和Se(CN)2的组合、二硫化物和硫醇盐的组合、二茂铁和二茂铁盐的组合中的一种或两种以上。2.根据权利要求1所述的协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，还设有电子传输层、负电聚合物层、正电聚合物层、和空穴传输层；所述负电聚合物层位于电子传输层与钙钛矿活性层之间，所述正电聚合物层位于钙钛矿活性层与空穴传输层之间，负电聚合物层和正电聚合物层都与所述钙钛矿活性层相邻。3.根据权利要求1或2所述的协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，制备方法包括以下步骤：（1）以干净的透明导电玻璃作为透明导电衬底；（2）在所述透明导电衬底的表面制备电子传输层；（3）在所述电子传输层的表面制备负电聚合物层；（4）在所述负电聚合物层的表面制备钙钛矿活性层；（5）在所述钙钛矿活性层的表面制备正电聚合物层；（6）在所述正电聚合物层的表面制备空穴传输层；（7）在所述空穴传输层的表面制备电极层。4.根据权利要求2或3所述的协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电衬底为FTO、ITO或AZO；所述电子传输层的材料为TiO2、SnO2、ZrO2、ZnO中的一种或两种以上；所述负电聚合物层的材料为聚丙烯醇、聚丙烯酰胺、聚偏氟乙烯中的一种或两种以上；所述正电聚合物层的材料为聚苯胺、聚吡咯、聚乙烯亚胺、聚对苯炔、聚对苯炔衍生物、聚噻吩中的一种或两种以上；所述空穴传输层的材料为Spiro
‑
OMeTAD、P3HT、PTAA、CuSCN、碘化亚铜、聚噻吩类、三芳胺类中的一种或两种以上；所述电极层的材料为金、银、铝、铂、铜中的一种或两种以上。5. 根据权利要求2~4中任一项所述的协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层的材料的厚度为20~1500nm；所述负电聚合物层的厚度为10~100 nm；所述正电聚合物的厚度为10~100 nm；所述空穴传输层的厚度为20~400 nm；所述电极层的厚度为50~150 nm。6.根据权利要求2~5中任一项所述的协同改善缺陷及离子迁移的高效、空气湿度稳定钙钛矿...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨英，朱从潭，陈甜，郭学益，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：