一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料及钙钛矿电池和制备方法技术

本发明专利技术公开了一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料及钙钛矿电池和制备方法，该通用型材料是一种多功能有机铯盐，该材料含有

【技术实现步骤摘要】
一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料及钙钛矿电池和制备方法


[0001]本专利技术属于钙钛矿材料与器件制备领域，具体涉及一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料及钙钛矿电池和制备方法。

技术介绍

[0002]能源是人类社会赖以生存与发展的基础。化石能源储量有限，且使用过程会导致环境污染、碳排放过高等突出问题。因此清洁能源如太阳能、风能、水能、潮汐的应用日渐广泛，尤其是对太阳能的开发与利用。因此，如何高效的利用太阳能成为当前关注的焦点。钙钛矿材料具有高吸光系数、宽的光谱响应、长激子扩散长度、高缺陷容忍度、双极性载流子运输特性等优势。以钙钛矿材料做吸光层的太阳电池作为一种新型电池，光电转化效率从2009年的3.8％提高至目前的25.7％，成为最具市场应用前景的新型薄膜太阳电池。
[0003]有机
‑
无机杂化钙钛矿太阳电池因其优良的光电性能，受到研究人员的广泛关注，但其A位有机阳离子的光热稳定性较差，导致该类电池工作稳定性较差。用热稳定性优异的Cs
+
离子部分取代或全部取代A位有机阳离子，构筑铯基钙钛矿是提高钙钛矿电池稳定性的最佳途径之一。但是，铯基钙钛矿的光电性能较差，主要是钙钛矿层与电子/空穴传输层之间的界面缺陷较多。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料及钙钛矿电池和制备方法，以解决现有技术中铯基钙钛矿太阳电池界面缺陷密度高的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料，所述界面材料的结构式为：
[0007][0008]其中，n的取值为0、1、2或3。
[0009]本专利技术的进一步改进在于：
[0010]优选的，所述界面材料的结构式为：
[0011][0012]一种上述通用型铯基钙钛矿电池界面材料的制备方法，将有机羧酸溶于乙醇中，获得有机羧酸溶液；将氢氧化铯溶于水中，获得氢氧化铯溶液；0℃下，混合有机羧酸溶液和氢氧化铯溶液，搅拌后，将反应产物蒸馏、洗涤和结晶后获得白色粉末，所述白色粉末为通用型铯基钙钛矿电池界面材料。
[0013]优选的，所述有机羧酸和乙醇的混合比例5mmol:15mL；所述氢氧化铯溶液中氢氧化铯和水的比例为5.1mmol：5mL。
[0014]优选的，所述有机羧酸和氢氧化铯的摩尔比为1:1。
[0015]一种钙钛矿电池的制备方法，包括以下步骤：
[0016]步骤1，预处理FTO玻璃作为FTO层1；
[0017]步骤2，在FTO层(1)上沉积TiO2或SnO2作为电子传输层(2)；
[0018]步骤3，在电子传输层2上制备钙钛矿吸光层4；所述钙钛矿吸光层4上制备有上修饰层5，或者是钙钛矿光层4下制备有下修饰层3，或者是钙钛矿吸光层4的上下均制备有修饰层；所述上修饰层5或下修饰层3由修饰层溶液旋涂在的电子传输层2或钙钛矿吸光层4上制得，所述修饰层溶液中的溶质为权利要求1所述的电池界面材料，溶剂为异丙醇；
[0019]步骤4，在钙钛矿吸光层4或上修饰层5上制备空穴传输层6；
[0020]步骤5，在空穴传输层6上制备金属电极7。
[0021]优选的，所述修饰层溶液中溶质的浓度为0.5～1mg/mL；所述钙钛矿吸光层(4)为CsPbI3、CsPbI2Br或FA
0.9
Cs
0.1
PbI3。
[0022]优选的，所述修饰层溶液的制备方法为，所述下修饰层3的制备方法为：
[0023]将修饰层溶液通过旋涂法旋涂于电子传输层2表面，旋涂后退火处理，获得下修饰层3；
[0024]所述下修饰层3的制备方法为：将修饰层溶液通过旋涂法旋涂于钙钛矿吸光层4表面，旋涂后退火处理，获得上修饰层5。
[0025]优选的，旋涂速度为3000
‑
4000rpm，旋涂时间为40s；退火温度为70℃，退火时间为5
‑
7min。
[0026]一种通过上述任一项制备方法制得的钙钛矿电池，为以下三种结构中的任意一个：
[0027]从下至上依次包括FTO层1、TiO2电子传输层2、下ATFC层3、CsPbI3钙钛矿吸光层4、空穴传输层6和金属电极7。
[0028]从下至上依次包括：FTO层、TiO2电子传输层2、CsPbI3钙钛矿吸光层4、上ATFC层5、Spiro
‑
OMeTAD空穴传输层6和金电极7。
[0029]从下至上依次包括：FTO层、TiO2电子传输层2、下ATFC层3、CsPbI3钙钛矿吸光层4、上ATFC层5、Spiro
‑
OMeTAD空穴传输层6和金电极7。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]本专利技术公开了一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料，该通用型材料是一种多功能有机铯盐，该材料含有
‑
NH2,
‑
COOCs,
‑
F这些特性基团，当应用在钙钛矿太阳电池中时，采用这种通用型材料上下双界面修饰电子传输层与钙钛矿吸收层，通过不同浓度进行上下界面的探索，该双极性多功能有机盐，不仅可以修饰TiO2电子传输层，还可以钝化钙钛矿吸光层。将此通用型材料应用于不同的铯基钙钛矿太阳电池的制备中，以提高铯基钙钛矿太阳电池表面结晶性，降低钙钛矿层与传输层之间的界面缺陷，提高铯基钙钛矿电池的光电转化效率和工作稳定性。
[0032]本专利技术公开了一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料的制备过程，通过筛选不同氟取代有机铯盐，用于修饰铯基钙钛矿界面。不同数量、不同取代位置的多官能团集于氟化苯环，修饰钙钛矿界面，根据器件结果进一步进行官能团化修饰、优化铯盐，筛选出性能优异的双极性界面修饰材料，其中最具代表性的是通用型材料ATFC。实验发现ATFC具有显著的提高开路电压的效果，ATFC可以提高钙钛矿薄膜的结晶性，下界面修饰时可以提高电子提取能力，有利于电子传输；上界面修饰时可以填补Cs空位，钝化Pb
2+
缺陷，提高表面疏水性。上下界面同时优化的效果最优，光电转化效率从18.83％提升至20.13％。
[0033]本专利技术公开了一种钙钛矿电池的制备方法，钙钛矿太阳电池通过多功能有机铯盐在TiO2/钙钛矿表面和钙钛矿/空穴之间双界面修饰，发挥十分重要的作用。综合试验表征表面：(1)当ATFC于TiO2/钙钛矿表面修饰时，ATFC中的
‑
F与Ti之间相互作用修饰TiO2表面未配位的Ti；氨基与TiO2表面吸附的
‑
OH相互作用，钝化氧缺陷；甲酸铯部分提供铯离子阻碍钙钛矿中铯的沉积，羧基还可以钝化钙钛矿底部的铅相关缺陷。(2)当ATFC于钙钛矿表面/空穴传输层修饰时，ATFC中的可通过Ostwaldripening填补Cs空位，羧基可以钝化铅相关缺陷，
‑
NH2可以抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料，其特征在于，所述界面材料的结构式为：其中，n的取值为0、1、2或3。2.根据权利要求1所述的一种通用型铯基钙钛矿电池界面材料，其特征在于，所述界面材料的结构式为：3.一种权利要求1所述通用型铯基钙钛矿电池界面材料的制备方法，其特征在于，将有机羧酸溶于乙醇中，获得有机羧酸溶液；将氢氧化铯溶于水中，获得氢氧化铯溶液；0℃下，混合有机羧酸溶液和氢氧化铯溶液，搅拌后，将反应产物蒸馏、洗涤和结晶后获得白色粉末，所述白色粉末为通用型铯基钙钛矿电池界面材料。4.根据权利要求3所述的通用型铯基钙钛矿电池界面材料的制备方法，其特征在于，所述有机羧酸和乙醇的混合比例5mmol:15mL；所述氢氧化铯溶液中氢氧化铯和水的比例为5.1mmol：5mL。5.根据权利要求3所述的通用型铯基钙钛矿电池界面材料的制备方法，其特征在于，所述有机羧酸和氢氧化铯的摩尔比为1:1。6.一种钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，预处理FTO玻璃作为FTO层(1)；步骤2，在FTO层(1)上沉积TiO2或SnO2作为电子传输层(2)；步骤3，在电子传输层(2)上制备钙钛矿吸光层(4)；所述钙钛矿吸光层(4)上制备有上修饰层(5)，或者是钙钛矿光层(4)下制备有下修饰层(3)，或者是钙钛矿吸光层(4)的上下均制备有修饰层；所述上修饰层(5)或下修饰层(3)由修饰层溶液旋涂在的电子传输层(2)或钙钛矿吸光层(4)上制得，所述修饰层溶液中的溶质为权利要求1所述的电池界面材料，溶剂为异丙醇；步骤4，在钙钛矿吸光层(4)或上修饰层(5)上制备空穴传输层(6)；步骤5，在空穴传输层(6)上制备金属电极(7)。7.根据权利要求6所示的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘治科，徐东方，段玉伟，杨璐，李芷君，刘生忠，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：