一种前驱液工程制备CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的方法

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，提供了一种前驱液工程制备CsPbIBr

背景技术

钙钛矿太阳能电池发展迅速，自2009年诞生以来其效率从3.8％迅速跃升至25.7％，表现出了很大的应用前景。迄今为止，所有效率最高的电池使用的都是有机-无机杂化钙钛矿，但有机钙钛矿在高热、高湿等条件下特别容易分解。Cs

[1]Wang H,Li H,Cao S,et al.Interface Modulator of Ultrathin MagnesiumOxide for Low-Temperature-Processed Inorganic CsPbIBr

[2]Jiang Y,Yuan J,Ni Y,et al.Reduced-Dimensionalα-CsPbX

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种前驱液工程制备CsPbIBr

现有技术中，CsPbIBr

为解决现有技术中存在的问题，本发明采用的技术方案为：

调整钙钛矿前驱液的原料以及配比，从而产生具有足够的光吸收的更厚的钙钛矿薄膜；同时调节结晶过程，获得晶粒更大晶界更少的高质量钙钛矿薄膜。本申请中引入碘化铅代替部分DCP中的铅盐，后续用铯盐补充化学计量所需的溴。采用摩尔比为CsBr:PbI

一种前驱液工程制备CsPbIBr

(1)基底的预处理：将基底分别使用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗；清洗完毕、吹干，紫外光照处理；

(2)电子传输层的制备：将电子传输材料溶液使用热喷雾的方式沉积在基底上，在平板炉中烧结，得到的电子传输层；

(3)前驱体溶液的制备：

钙钛矿前驱液采用溴化铯、碘化铅和溴化铅三种组分，钙钛矿前驱液的浓度c以铯离子的浓度计，1M＜c≤1.4M；其中溴化铯：碘化铅：溴化铅的摩尔比为2:1:1；将摩尔比碘化铅：溴化铅＝1:1先溶于二甲基亚砜中，50-70℃搅拌过夜；按摩尔比加入溴化铯，搅拌至完全溶解后得到钙钛矿前驱液；空穴传输层前驱液用2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴和混合添加剂按0.9-1g:1L的比例配制，其中混合添加剂中双(三氟甲烷)磺酰亚胺：三[4-叔丁基-2-(1H-吡唑-1-基)吡啶]钴三(1,1,1-三氟-N-[(三氟甲基)磺酰基]甲烷磺酰胺盐)：4-叔丁基吡啶的体积比为1:(1.6-2)：(1.5-1.9)；

(4)钙钛矿薄膜的制备：将基底在50-80℃的热板上预热，然后将钙钛矿前驱液旋涂在基底上，在200-250℃的热板上退火5-15分钟，得到钙钛矿薄膜；

(5)空穴传输层的制备：将空穴传输层前驱液滴在钙钛矿薄膜上，2000-3000转旋涂30-50秒；

(6)电极的制备：利用真空蒸镀的方法在空穴传输层上面蒸镀一层金或银作为电极。

所述钙钛矿前驱液与空穴传输层前驱液使用前用0.22μm的过滤头过滤。

钙钛矿前驱液的旋涂工艺为第一阶段使用1000-2000转10-20秒，第二阶段使用3000-4000转20-40秒。

所述电子传输层为氧化锡或氧化钛层；

电子传输层为氧化钛层时，采用热解喷雾法将氧化钛溶液喷涂在FTO基底上；

电子传输层为氧化锡层时，采用化学浴沉积法将FTO基底上。

进一步的，可采用如下技术方案：

所述步骤(1)基底的预处理包括：将FTO基底分别使用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗30分钟。清洗完毕后，然后用吹风机吹干，吹干后使用紫外处理30分钟。

步骤(2)电子传输层的制备材料包括SnO

电子传输层为TiO

电子传输层为SnO

步骤(3)前驱体溶液的制备包括

三组分(TCP)钙钛矿前驱液使用摩尔比溴化铯：碘化铅：溴化铅(CsBr:PbI

空穴传输层前驱液用72.3mg的Spiro-OMeTAD和添加剂(17.5μLLi-TFSI，30μLFK209Co(III)TFSI和28.8μL t-BP)结合制备。

钙钛矿前驱液与空穴传输层前驱液使用前用0.22μm的过滤头过滤备用。

步骤(4)的制备方法为首先将基底在60℃的热板上预热5分钟，然后将钙钛矿前体溶液旋涂在基底上，第一阶段使用1500转15秒，第二阶段使用3500转30秒，在225℃的热板上退火10分钟。

步骤(5)的制备方法为将空穴前驱液滴在钙钛矿薄膜上，然后3000转旋涂30秒，最后60℃退火10分钟。

步骤(6)所述电极材料为金、银中的一种。

采用上述方法制备的CsPbIBr

本发明的有益效果为：

调整钙钛矿前驱液的原料及配比，获得更高浓度的前驱液。从而得到具有足够的光吸收的更厚的钙钛矿薄膜，增加了光捕获效率。此外还调节了钙钛矿的结晶过程，改善了钙钛矿薄膜的质量，加强了电荷的提取和转移。相比于DCP，TCP基钙钛矿太阳能电池的效率显著了提高了16％以上。调整前驱液制备高效钙钛矿太阳能电池的工艺简单，制备方便，为钙钛矿太阳能电池的发展提供可行策略，为钙钛矿太阳能电池商业化提供路径。TCP 1.2M前驱液获得了质量更高的钙钛矿薄膜，薄膜晶粒更大晶界更少，能够有效的减少电池的非辐射复合损失，得到稳定高效的钙钛矿太阳能电池。然而，当TCP 1.4M时，钙钛矿薄膜虽然晶粒显著增大，但结晶强度较弱，表面粗糙度增加，反而使的太阳能电池效率下降，给钙钛矿太阳能电池带来了不利影响。

附图说明

图1为钙钛矿前驱液的实物图；其中，a)为两组分钙钛矿前驱液，b)为不同浓度(1M、1.2M、1.3M及1.4M)的三组分钙钛矿前驱液。

图2为实施例1及对比例1-2的全无机CsPbIBr

图3为实施例1及对比例1-2的全无机CsPbIBr

图5为实施例1及对比例1-2中全无机CsPbIBr

图6为实施例1及对比例1-2中全无机CsPbIBr

具体实施方式

实施例1

(1)基底的预处理：将基底分别使用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗30分钟。清洗完毕后，然后用吹风机吹干，吹干后使用紫外臭氧处理30分钟。

(2)电子传输层的制备：将双(2,4-戊二酮酸)双(2-丙醇酸)钛(IV)和乙醇以1:9的体积比混合，过滤后倒入喷壶中，使用热喷雾的方式均匀的喷涂在FTO基底上，然后在500℃的平板炉中烧结30分钟，得到紧密的氧化钛层。

(3)前驱体溶液的制备：

三组分(TCP)钙钛矿前驱液将0.6mmol碘化铅和0.6mmol溴化铅先溶于1mL二甲基亚砜(DMSO)中，60℃过夜搅拌；在使用前1h按摩尔比加入1.2mmol溴化铯，搅拌至完全溶解后使用。标记为TCP 1.2M。

空穴传输层前驱液用72.3mg的Spiro-OMeTAD和添加剂(17.5μLLi-TFSI，30μLFK209Co(III)TFSI和28.8μL t-BP)结合制备。

(4)钙钛矿薄膜的制备：首先将基底在60℃的热板上预热5分钟，然后将钙钛矿前体溶液旋涂在基底上，第一阶段使用1500转15秒，第二阶段使用3500转30秒，在225℃的热板上退火10分钟。

(5)空穴传输层的制备：将制备好的前驱液滴在钙钛矿上，然后3000转旋涂30秒。

(6)电极的制备：利用真空蒸镀的方法在空穴传输层上面蒸镀一层银作为电极，厚度为100nm。

实施例2

(1)基底的预处理：将基底分别使用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗30分钟。清洗完毕后，然后用吹风机吹干，吹干后使用紫外臭氧处理30分钟。

(2)电子传输层的制备：将双(2,4-戊二酮酸)双(2-丙醇酸)钛(IV)和乙醇以1:9的体积比混合，过滤后倒入喷壶中，使用热喷雾的方式均匀的喷涂在FTO基底上，然后在500℃的平板炉中烧结30分钟，得到紧密的氧化钛层。

(3)前驱体溶液的制备：

三组分(TCP)钙钛矿前驱液将0.7mmol碘化铅和0.7mmol溴化铅先溶于1mL二甲基亚砜(DMSO)中，60℃过夜搅拌；在使用前1h按摩尔比加入1.4mmol溴化铯，搅拌至完全溶解后使用。标记为TCP 1.4M。

空穴传输层前驱液用72.3mg的Spiro-OMeTAD和添加剂(17.5μLLi-TFSI，30μLFK209Co(III)TFSI和28.8μL t-BP)结合制备。

(4)钙钛矿薄膜的制备：首先将基底在60℃的热板上预热5分钟，然后将钙钛矿前体溶液旋涂在基底上，第一阶段使用1500转15秒，第二阶段使用3500转30秒，在225℃的热板上退火10分钟。

(5)空穴传输层的制备：将制备好的前驱液滴在钙钛矿上，然后3000转旋涂30秒。

(6)电极的制备：利用真空蒸镀的方法在空穴传输层上面蒸镀一层银作为电极，厚度为100nm。

对比例1

(1)基底的预处理：将基底分别使用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗30分钟。清洗完毕后，然后用吹风机吹干，吹干后使用紫外臭氧处理30分钟。

(2)电子传输层的制备：将双(2,4-戊二酮酸)双(2-丙醇酸)钛(IV)和乙醇以1:9的体积比混合，过滤后倒入喷壶中，使用热喷雾的方式均匀的喷涂在FTO基底上，然后在500℃的平板炉中烧结30分钟，得到紧密的氧化钛层。

(3)前驱体溶液的制备：

两组分(DCP)钙钛矿前驱液使用367mg溴化铅(PbBr

(4)钙钛矿薄膜的制备：首先将基底在60℃的热板上预热5分钟，然后将钙钛矿前体溶液旋涂在基底上，第一阶段使用1500转15秒，第二阶段使用3500转30秒，在225℃的热板上退火10分钟。

(5)空穴传输层的制备：将制备好的前驱液滴在钙钛矿上，然后3000转旋涂30秒。

(6)电极的制备：利用真空蒸镀的方法在空穴传输层上面蒸镀一层银作为电极，厚度为100nm。

对比例2

(1)基底的预处理：将基底分别使用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇超声清洗30分钟。清洗完毕后，然后用吹风机吹干，吹干后使用紫外臭氧处理30分钟。

(2)电子传输层的制备：将双(2,4-戊二酮酸)双(2-丙醇酸)钛(IV)和乙醇以1:9的体积比混合，过滤后倒入喷壶中，使用热喷雾的方式均匀的喷涂在FTO基底上，然后在500℃的平板炉中烧结30分钟，得到紧密的氧化钛层。

(3)前驱体溶液的制备：

三组分(TCP)钙钛矿前驱液将0.5mmol碘化铅和0.5mmol溴化铅先溶于1mL二甲基亚砜(DMSO)中，60℃过夜搅拌；在使用前1h按摩尔比加入1mmol溴化铯，搅拌至完全溶解后使用。标记为TCP 1.0M。

空穴传输层前驱液用72.3mg的Spiro-OMeTAD和添加剂(17.5μLLi-TFSI，30μLFK209Co(III)TFSI和28.8μL t-BP)结合制备。

(4)钙钛矿薄膜的制备：首先将基底在60℃的热板上预热5分钟，然后将钙钛矿前体溶液旋涂在基底上，第一阶段使用1500转15秒，第二阶段使用3500转30秒，在225℃的热板上退火10分钟。

(5)空穴传输层的制备：将制备好的前驱液滴在钙钛矿上，然后3000转旋涂30秒。

(6)电极的制备：利用真空蒸镀的方法在空穴传输层上面蒸镀一层银作为电极，厚度为100nm。

图1显示了不同DCP和TCP获得前驱液的浓度极限；TCP能获得前驱液最大浓度为1.4M，从图1中b)可以看出前驱液的浓度达到1.4M时已经产生轻微浑浊。截面SEM分析了CsPbIBr

采用三组分的钙钛矿前驱液不仅获得了能吸收更充足可见光的薄膜，同时也调节了钙钛矿薄膜的结晶过程，从而获得高质量的钙钛矿薄膜。平面SEM如图4所示，可以清楚地看到，图4中a)DCP 1.0M薄膜表面粗糙，晶界明显，容易导致缺陷的发生。图4中b)前驱体溶液为TCP1.2M，浓度的增加薄膜形貌明显改善，表面致密，晶粒尺寸均匀；由较大晶粒组成的钙钛矿薄膜具有较少的晶界，这将显著减少载流子的重组，从而提高器件性能。值得注意的是，当浓度增加到1.4M时图4中c)，晶粒尺寸明显增大，甚至超过了1um，但这也导致了膜的表面粗糙度增加，这会给界面传导带来不利的影响。通过XRD谱图测定钙钛矿薄膜的相纯度(图5)，在15.2°、21.5°和30.4°处有三个强烈的衍射峰，分别对应立方CsPbIBr

表1全无机CsPbIBr

从实施例1、2及对比例2可以看出，前驱液中组分相同的条件下浓度是决定效率的关键条件。调整钙钛矿前驱液的原料及配比，获得更高浓度的前驱液；进而得到具有足够的光吸收的更厚的钙钛矿薄膜，增加了光捕获效率。综上带来的效果使得全无机CsPbIBr