一种通过多功能调节制备高性能锡铅合金太阳电池的方法技术

本发明专利技术的目的在于提高有机

【技术实现步骤摘要】
一种通过多功能调节制备高性能锡铅合金太阳电池的方法


[0001]本专利技术目的在于提高有机
‑
无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和器件稳定性。具体涉及利用含有亚砜基的有机小分子三甲基碘化亚砜(TMSI)与锡铅钙钛矿之间产生氢键和配位相互作用，诱导结晶，增大晶粒尺寸，抑制Sn
2+
向Sn
4+
氧化以及抑制离子迁移的方法。

技术介绍

[0002]理想的禁带宽度和低毒性锡的使用使锡
‑
铅合金钙钛矿在光伏发电中具有巨大的发展潜力，但由于以下原因，以其为基础的钙钛矿太阳能电池的发展受到阻碍。首先，锡铅合金钙钛矿结晶速度快，导致薄膜不均匀和形态不良；其次，Sn
2+
容易氧化为Sn
4+
，导致Sn空位和p型掺杂；第三，离子迁移引起的内部稳定性影响器件寿命。虽然锡铅钙钛矿太阳能电池的光电转化效率可达20％以上，且具有良好的长期稳定性，但与纯铅钙钛矿太阳能电池相比仍有很大差距。因此，获得高效、稳定的锡铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)仍然是一个巨大的挑战。在此，我们将有机小分子三甲基碘化亚砜(TMSI)与SnF2一起引入钙钛矿前驱体溶液中，通过TMSI和钙钛矿之间产生的氢键和配位相互作用来诱导结晶，增大晶粒尺寸，抑制Sn
2+
向Sn
4+
氧化和离子迁移。最终经过TMSI修饰的器件的光电转换效率和稳定性的到明显改善。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是通过引入添加剂提高有机
‑
无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和改善器件稳定性。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采用技术方案为：
[0005]在制备有机
‑
无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池时，将添加剂与SnF2同时引入锡铅钙钛矿前驱体溶液中，经过旋涂和退火操作即可得到掺杂添加剂的锡铅钙钛矿太阳能电池。
[0006]其中，采用的添加剂含有一个亚砜基团，学名为三甲基碘化亚砜(trimethylsulfoxide iodide)，简称TMSI。
[0007]优选：
[0008]将所需组分按比例混合，以N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)的混合液为溶剂，充分搅拌至完全溶解，得到前驱体溶液，其中，对照组的前驱体溶液中仅含有SnF2，实验组的前驱体溶液中则同时含有SnF2和不同浓度的添加剂。通过一步法制备锡铅钙钛矿薄膜，所用反溶剂为氯苯，旋涂结束后对得到的所有湿的钙钛矿薄膜进行退火处理。
[0009]所述引入前驱体溶液中的添加剂的浓度为0.5到5.0mg/mL，其中最佳浓度为2.0mg/mL。
[0010]所述锡铅钙钛矿薄膜的退火处理温度为100℃。
[0011]所述锡铅钙钛矿薄膜的钙钛矿结构式为ABX3，A为金属离子Cs和甲胺CH3NH3(MA)、
甲脒NH2‑
CH＝NH2(FA)两种有机铵盐阳离子；B为金属离子Pb和Sn，X为卤素离子I。
[0012]通过上述方法获得的有机
‑
无机杂化锡铅钙钛矿薄膜质量得到明显改善，晶粒尺寸变大。此外，Sn
2+
的氧化得到抑制，有效地减少了薄膜内部的Sn空位，降低薄膜的缺陷密度，抑制离子迁移，大幅度提升了电池器件的光伏性能，这对锡铅钙钛矿太阳能电池的商业化应用非常重要。
[0013]本专利技术所具有的优点：
[0014]本专利技术在锡铅钙钛矿薄膜中引入的有机小分子TMSI含有一个亚砜基团，能够与钙钛矿产生氢键和配位相互作用，诱导结晶，增大钙钛矿晶粒尺寸，抑制Sn
2+
氧化和离子迁移，降低薄膜的缺陷密度，减少非辐射复合，实现有效的电荷转移，从而大幅度提升器件的光电转化效率和显著改善器件的稳定性。
[0015]本专利技术制备工艺简单，易操作，重复性好，所采用的材料成本较低，来源广泛。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿薄膜的扫描电镜(SEM)图片，其中上图是引入TMSI前的对照组，下图是2.0mg/mL TMSI修饰后的实验组。
[0017]图2为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿薄膜的X
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射线衍射(XRD)图谱。
[0018]图3为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿薄膜的X
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射线光电子能谱(XPS)图谱，其中左图为对照组，右图为实验组。
[0019]图4为本专利技术实施例提供的参与前驱体配制的重要组分碘化甲脒(FAI)以及FAI和TMSI混合后的核磁共振(NMR)图谱。
[0020]图5为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿薄膜的空间电流限制电荷(SCLC)曲线。
[0021]图6为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿薄膜的荧光(PL)图谱。
[0022]图7为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿电池的电化学阻抗(EIS)曲线。
[0023]图8为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿薄膜的离子迁移图谱，左图为对照组，右图为实验组。
[0024]图9为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿电池的电流
‑
电压(I
‑
V)曲线。
[0025]图10为本专利技术实施例提供的经过TMSI修饰前后锡铅钙钛矿电池未封装器件的稳定性曲线。
具体实施方式
[0026]1.器件制备
[0027](1)将ITO导电玻璃依次用碱性清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min，放入烘箱中干燥。ITO基底在使用前用plasma处理10min以产生亲水表面。
[0028](2)将过滤后的PEDOT:PSS溶液以4500rpm的转速旋涂到上述处理过的ITO基底上，时间为30s，旋涂结束将其置于140℃热台上退火15min，冷却至室温后，转移到氮气氛围手
套箱中。
[0029](3)称取622.36mg PbI2、502.90mg SnI2、325.02mg FAI、107.30mg MAI、35.07mg CsI和21.16mg SnF2于1.5mL混合溶剂(DMSO:DMF＝3:1,v/v)中溶解，得到组分为FA
0.7
MA
0.25
Cs
0.05
Sn
0.5
Pb
0.5
I3的前驱体溶液。钙钛矿薄膜采用一步法制备，取35μL前驱体溶液于步骤(2)所得基底上，以1000rpm，10s和4000rpm，50s两个步骤进行旋涂。在第二步结束前20s匀速滴加200μL氯苯，旋涂结束后取下，置于100℃热台上退火10min。钙钛矿薄膜制备过程中对照组前驱体溶液中仅含有SnF2，实验组溶液中同时含有SnF2和TMSI(最佳浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过有机小分子修饰获得的高效稳定的有机
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无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池。结构为导电玻璃衬底、空穴传输层、锡铅钙钛矿活性层、电子传输层、空穴阻隔层、金属电极。其特征在于：在制备锡铅钙钛矿活性层的过程中，将添加剂三甲基碘化亚砜(TMSI)引入前驱体溶液中，得到掺杂添加剂的锡铅钙钛矿活性层。2.按权利要求1所述的高效稳定的有机
‑
无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述锡铅钙钛矿活性层的结构式为ABX3，其中A为金属离子Cs和甲胺CH3NH3(MA)、甲脒NH2‑
CH＝NH2(FA)两种有机铵盐阳离子；B为金属离子Pb和Sn，X为卤素离子I。3.按权利要求1所述的获得高效稳定的有机
‑
无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：引入添加剂诱导钙钛矿结晶、增大晶粒尺寸，抑制Sn
2+
向Sn
4+
氧化，抑制离子迁移。4.按权利要求1或3所述的获得高效稳定的有机
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无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于：所述添加剂中含有一个亚砜基团，可以与钙钛矿形成氢键和发生配位相互作用。5.按权利要求4所述的获得高效稳定的有机
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无机杂化锡铅钙钛矿太阳能电池的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周忠敏，姜霞飞，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：