一种钝化层前驱体溶液及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于钝化层材料技术领域，具体涉及一种钝化层前驱体溶液及其制备方法和应用。

背景技术

钙钛矿太阳能电池由于其具有高光电转化效率和低廉的制备成本，因此能够成为一种理想的光伏器件。其中，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因其具有高吸收系数、高载流子迁移率、易调节的带隙、长载流子寿命和可溶液加工等特性受到研究人员的广泛关注。近十年来，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率从3.8％快速增长到25.7％，故为最具有发展前景的光伏技术。

然而，目前采用低温溶液法制备的多晶钙钛矿薄膜仍存在大量缺陷，例如Pb

近年来，基于氧化镍(NiO

首先，氧化镍(NiO

因此，在本领域中，迫切需要解决NiO

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钝化层前驱体溶液及其制备方法和应用。本发明利用氨基酸类化合物来钝化NiO

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种钝化层前驱体溶液，所述钝化层前驱体溶液包括结构如式1所示的氨基酸类化合物；

其中，R选自-(CH

需要说明的是，R和R＇中的n值可以各自独立地选取，例如R中的n值可以为1时，R＇中的n值可以为2，出于篇幅简短的考虑，对上述范围内的组合不再一一列举。

本发明通过采用氨基酸类化合物，其不仅钝化了NiO

氨基酸类化合物结构中具有的多功能基团钝化了钙钛矿薄膜的缺陷，其中主要是-OH和C＝O基团钝化钙钛矿薄膜中欠配位的Pb

优选地，所述结构如式1所示的氨基酸类化合物中R选自-(CH

在本发明中，通过调控基团的种类以及n的取值范围，使得钙钛矿薄膜的缺陷减少，减少了钙钛矿的非辐射复合，提高了钙钛矿薄膜质量，最终提高了钙钛矿太阳能电池的光伏性能和光热稳定性。

优选地，所述钝化层前驱体溶液中氨基酸类化合物的浓度为0.5-2mg/mL，例如可以为0.5mg/mL、0.8mg/mL、1mg/mL、1.2mg/mL、1.5mg/mL、1.8mg/mL、2mg/mL等。

在本发明中，通过调整钝化层前驱体溶液中氨基酸类化合物的浓度，使得钙钛矿薄膜的缺陷减少，进而提升薄膜的质量，浓度过低则会无法起到钝化钙钛矿薄膜缺陷的作用，反之则会反向钝化钙钛矿薄膜缺陷，使钙钛矿的非辐射复合增加，造成钙钛矿太阳能电池的光电性能变差。

第二方面，本发明提供了一种制备根据第一方面所述的钝化层前驱体溶液的方法，所述方法包括以下步骤：

将氨基酸类化合物和溶剂进行混合，过滤后得到所述钝化层前驱体溶液。

优选地，所述溶剂包括乙醇或异丙醇。

优选地，所述混合在搅拌下进行。

优选地，所述混合的温度为60-80℃，例如可以为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃等。

第三方面，本发明提供了一种钝化层，所述钝化层是由根据第一方面所述的钝化层前驱体溶液制备得到的。

优选地，所述钝化层的厚度为1-10nm，例如可以为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm等。

优选地，所述钝化层的制备方法为将钝化层前驱体溶液进行涂布后，经过退火处理得到所述钝化层。

在本发明中，上述涂布包括但不限于旋涂、蒸镀、狄缝涂布、刮涂或丝网印刷中的至少一种。

优选地，所述涂布的速率为15-20mm/s，例如可以为15mm/s、16mm/s、17mm/s、18mm/s、19mm/s、20mm/s等。

优选地，所述退火处理的温度为90-120℃，例如可以为90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃等；时间为10-20min，例如可以为10min、12min、15min、18min、20min等。

第四方面，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池包括根据第三方面所述的钝化层。

在本发明中，上述钙钛矿太阳能电池包括正式结构的钙钛矿太阳能电池或反式结构的钙钛矿太阳能电池。

在本发明中，上述正式结构的钙钛矿太阳能电池还可以包括依次层叠的基底层、电子传输层、钙钛矿薄膜吸光层、空穴传输层和背电极。

示例性的，本发明提供了一种正式结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：

在基底层表面形成电子传输层；

将钝化层前驱体溶液涂布在所述电子传输层表面，形成钝化层；

在所述钝化层表面涂布钙钛矿薄膜前驱体溶液，形成钙钛矿薄膜吸光层；

在所述钙钛矿薄膜吸光层表面沉积NiO

将背电极沉积在所述NiO

在本发明中，上述反式结构的钙钛矿太阳能电池还包括依次层叠的基底层、空穴传输层、钙钛矿薄膜吸光层、电子传输层和背电极。

示例性的，本发明提供了一种反式结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：

在基底层表面形成NiO

将钝化层前驱体溶液涂布在所述NiO

在所述钝化层表面涂布钙钛矿薄膜前驱体溶液，形成钙钛矿薄膜吸光层；

在所述钙钛矿薄膜吸光层表面沉积电子传输层；

将背电极沉积在所述电子传输层表面，得到所述反式结构的钙钛矿太阳能电池。

在本发明中，钙钛矿薄膜吸光层的制备方法示例性的包括以下步骤：将FA

在本发明中，电子传输层的制备方法示例性的包括以下步骤：在钙钛矿薄膜吸光层表面蒸镀C

在本发明中，背电极包括但不限于金属电极，金属电极包括金、银或铜，背电极的制备方法示例性的包括以下步骤：在电荷传输层表面蒸镀金属，得到背电极。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过采用氨基酸类化合物，其不仅钝化了NiO

氨基酸类化合物结构中具有的多功能基团钝化了钙钛矿薄膜的缺陷，其中主要是-OH和C＝O基团钝化钙钛矿薄膜中欠配位的Pb

附图说明

图1为应用例1提供的反式结构的钙钛矿太阳能电池的结构示意图，其中1为基底层，2为NiO

图2为应用例1提供的反式结构的钙钛矿太阳能电池与标片的未封装的反式结构的钙钛矿太阳能电池的空气稳定性对比图。

具体实施方式

下面通过结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

第一方面，本发明提供一种钝化层前驱体溶液，所述钝化层前驱体溶液包括结构如式1所示的氨基酸类化合物；

其中，R选自-(CH

本发明通过采用氨基酸类化合物，其不仅钝化了NiO

氨基酸类化合物结构中具有的多功能基团钝化了钙钛矿薄膜的缺陷，其中主要是-OH和C＝O基团钝化钙钛矿薄膜中欠配位的Pb

在一些实施方式中，所述结构如式1所示的氨基酸类化合物中R选自-(CH

在一些实施方式中，所述钝化层前驱体溶液中氨基酸类化合物的浓度为0.5-2mg/mL，例如可以为0.5mg/mL、0.8mg/mL、1mg/mL、1.2mg/mL、1.5mg/mL、1.8mg/mL、2mg/mL等。

第二方面，本发明提供了一种制备根据第一方面所述的钝化层前驱体溶液的方法，所述方法包括以下步骤：

将氨基酸类化合物和溶剂进行混合，过滤后得到所述钝化层前驱体溶液。

在一些实施方式中，所述溶剂包括乙醇或异丙醇。

在一些实施方式中，所述混合在搅拌下进行。

在一些实施方式中，所述混合的温度为60-80℃，例如可以为60℃、65℃、70℃、75℃、80℃等。

第三方面，本发明提供了一种钝化层，所述钝化层是由根据第一方面所述的钝化层前驱体溶液制备得到的。

在一些实施方式中，所述钝化层的厚度为1-10nm，例如可以为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm等。

在一些实施方式中，所述钝化层的制备方法为将钝化层前驱体溶液进行涂布后，经过退火处理得到所述钝化层。

在一些实施方式中，上述涂布包括但不限于旋涂、蒸镀、狄缝涂布、刮涂或丝网印刷中的至少一种。

在一些实施方式中，所述涂布的速率为15-20mm/s，例如可以为15mm/s、16mm/s、17mm/s、18mm/s、19mm/s、20mm/s等。

在一些实施方式中，所述退火处理的温度为90-120℃，例如可以为90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃等；时间为10-20min，例如可以为10min、12min、15min、18min、20min等。

第四方面，本发明提供了一种钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池包括根据第三方面所述的钝化层。

在一些实施方式中，上述钙钛矿太阳能电池包括正式结构的钙钛矿太阳能电池或反式结构的钙钛矿太阳能电池。

在一些实施方式中，上述正式结构的钙钛矿太阳能电池还包括依次层叠的基底层、电子传输层、钙钛矿薄膜吸光层、空穴传输层和背电极。

在一些实施方式中，本发明提供了一种正式结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：

在基底层表面形成电子传输层；

将钝化层前驱体溶液涂布在所述电子传输层表面，形成钝化层；

在所述钝化层表面涂布钙钛矿薄膜前驱体溶液，形成钙钛矿薄膜吸光层；

在所述钙钛矿薄膜吸光层表面沉积NiO

将背电极沉积在所述NiO

在一些实施方式中，上述反式结构的钙钛矿太阳能电池还包括依次层叠的基底层、空穴传输层、钙钛矿薄膜吸光层、电子传输层和背电极。

在一些实施方式中，本发明提供了一种反式结构的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其包括以下步骤：

在基底层表面形成NiO

将钝化层前驱体溶液涂布在所述NiO

在所述钝化层表面涂布钙钛矿薄膜前驱体溶液，形成钙钛矿薄膜吸光层；

在所述钙钛矿薄膜吸光层表面沉积电子传输层；

将背电极沉积在所述电子传输层表面，得到所述反式结构的钙钛矿太阳能电池。

在一些实施方式中，钙钛矿薄膜吸光层的制备方法示例性的包括以下步骤：将FA

在一些实施方式中，电子传输层的制备方法示例性的包括以下步骤：在钙钛矿薄膜吸光层表面蒸镀C

在一些实施方式中，背电极包括但不限于金属电极，金属电极可以包括金、银或铜，背电极的制备方法示例性的包括以下步骤：在电荷传输层表面蒸镀金属，得到背电极。

实施例1

本实施例提供了一种钝化层前驱体溶液及其钝化层，钝化层前驱体溶液包括如下所示的化合物Ⅰ。

本实施例提供了一种钝化层前驱体溶液的制备方法，其包括以下步骤：

将浓度为1mg/mL的化合物Ⅰ和乙醇在70℃下进行搅拌，过滤后得到钝化层前驱体溶液。

本实施例提供了一种钝化层，制备方法如下：

将上述钝化层前驱体溶液在NiO

实施例2

本实施例与实施例1的区别之处在于，钝化层的制备方法如下：

将上述钝化层前驱体溶液在NiO

实施例3

本实施例与实施例1的区别之处在于，钝化层的制备方法如下：

将上述钝化层前驱体溶液在NiO

实施例4

本实施例与实施例1的区别之处在于，钝化层的制备方法如下：

将钝化层前驱体溶液在空穴传输层表面以15mm/s的速率进行刮涂后，在120℃下经过退火处理10min得到钝化层。

实施例5

本实施例与实施例1的区别之处在于，将化合物Ⅰ替换为化合物Ⅳ，其中，化合物Ⅳ中R选自-(CH

实施例6

本实施例与实施例1的区别之处在于，将化合物Ⅰ替换为化合物Ⅴ，其中，化合物Ⅴ中R选自-(CH

实施例7

本实施例与实施例1的区别之处在于，将化合物Ⅰ替换为化合物Ⅵ，其中，化合物Ⅵ中R选自-(CH

对比例1

本对比例与实施例1的区别之处在于，在空穴传输层表面不涂覆钝化层前驱体溶液，其他均与实施例1相同。

对比例2

本对比例与实施例1的区别之处在于，将化合物Ⅰ替换为如下所示结构的化合物A，其他均与实施例1相同，

对比例3

本对比例与实施例1的区别之处在于，将化合物Ⅰ替换为如下所示结构的化合物B，其他均与实施例1相同，

应用例1至应用例7以及对比应用例1至对比应用例3

将实施例1至实施例7以及对比例1至对比例3提供的钝化层制备得到反式结构的钙钛矿太阳能电池，如图1所示，制备方法如下：

在FTO导电玻璃基底层表面形成NiO

将钝化层前驱体溶液涂布在NiO

将FA

在钙钛矿薄膜吸光层表面蒸镀C

将背电极沉积在电子传输层表面蒸镀铜金属，得到反式结构的钙钛矿太阳能电池。

测试条件

将应用例1至应用例7以及对比应用例1至对比应用例3提供的反式结构的钙钛矿太阳能电池进行性能测试，测试方法如下：

光电转化效率(PCE)：光电转化效率是用来判断钙钛矿太阳能电池的光电性能的直接参数。钙钛矿太阳能电池的光伏参数有开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)和PCE。测试仪器主要有太阳光模拟器和数字源表，太阳光模拟器的测试光强为100mW/cm

测试结果如表1所示：

表1

由表1的数据可以看出，一方面，如图2所示，本发明制备的涂覆有化合物Ⅰ界面钝化层的钙钛矿太阳电池相对于无界面钝化层的钙钛矿太阳电池电池而言，光电性能和空气稳定性有显著的提高；另一方面，当R和R＇中n均为0时，得到的氨基酸类化合物的钝化效果最佳，制备得到的钙钛矿太阳电池电池的综合性能最佳，并且当取代基的种类相同仅对应n的变化时，n值越大相应的基团越大，氨基酸类化合物的钝化效果越差。

与实施例1相比，对比应用例2和3表明涂覆有化合物A界面钝化层的钙钛矿太阳电池相对于涂覆有化合物B界面钝化层钙钛矿太阳电池而言，光电性能有显著的提高。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。