无需空气氧化且能保护钙钛矿的空穴传输层及其应用

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳电池领域，具体涉及一种无需空气氧化且能保护钙钛矿的空穴传输层及其应用。

背景技术

钙钛矿太阳电池电池是一种新型的薄膜电池，包含正型、反型、介孔等结构类型。由于其吸光材料钙钛矿成本低、光吸收度高、载流子扩散长度长，钙钛矿电池近年来得到深入研究，其光电转换效率也迅速提升，最高认证效率已达26.1％，具有极大的商业化应用潜力。

在钙钛矿太阳电池中，空穴传输层负责阻挡电子、传输空穴，在正型结构的钙钛矿太阳电池中，空穴传输层还作为吸收层与外界环境的阻隔层保护其免受湿气与热的侵蚀，因此一般要求其具有与钙钛矿适应的能级、良好的电荷传输能力以及一定的疏水性能。2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)、聚三芳胺(PTAA)、3-己基噻吩(P3HT)等材料是常见的空穴传输层材料，作为空穴传输层时，一般采用双三氟甲基磺酰亚胺锂和4-叔丁基吡啶作为掺杂剂。有机空穴传输层需要经过空气氧化，才能高效地传输空穴。然而复杂多变的空气环境严重影响了高效钙钛矿太阳电池的可重复性。同时4-叔丁基吡啶不仅易挥发影响空穴传输层的稳定性，并且还会对钙钛矿薄膜造成破坏，限制电池效率的进一步提升。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中空穴传输层需要空气氧化、4-叔丁基吡啶破坏钙钛矿薄膜的问题。本发明提出一种无需空气氧化且能保护钙钛矿的空穴传输层，所述空穴传输层的特征在于在空穴传输层中引入碘苯二乙酸。碘苯二乙酸是一种温和高效的有机高价碘氧化剂，能够迅速地氧化空穴传输层，避免后续的空气氧化过程，排除复杂空气环境对电池可重复性的不利影响。另外，碘苯二乙酸可以与4-叔丁基吡啶发生化学相互作用，抑制4-叔丁基吡啶对钙钛矿破坏的同时减缓其挥发。进一步将本发明提供的一种无需空气氧化且能保护钙钛矿的空穴传输层应用到钙钛矿太阳电池中，可以提升电池的效率和稳定性。

一种无需空气氧化同时保护钙钛矿的空穴传输层，所述空穴传输层加入双三氟甲基磺酰亚胺锂和4-叔丁基吡啶作为添加剂，其特征为加入碘苯二乙酸。碘苯二乙酸相对空穴传输层材料的质量百分含量为1-10wt％。

其中空穴传输层材料为Spiro-OMeTAD、PTAA、P3HT中的一种，优选为Spiro-OMeTAD。

为了实现无需空气氧化同时保护钙钛矿的空穴传输层，本发明还提供一种配套的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)配制空穴传输层溶液，溶液浓度在10～80mg/ml之间，双三氟甲基磺酰亚胺锂添加量在0.5～10mg/ml之间，4-叔丁基吡啶添加量为2-30ul/ml之间，相应的，加入碘苯二乙酸的质量在0.1～8mg/ml之间。溶剂为氯苯、甲苯中的一种。

(2)采用旋涂法、刮刀法、狭缝涂布法、喷涂法中的一种，将空穴传输层溶液涂布在钙钛矿薄膜上，得到空穴传输层。

进一步将无需空气氧化同时保护钙钛矿的空穴传输层应用在正型结构钙钛矿太阳电池中，得到包含该空穴传输层的新型正型钙钛矿太阳电池。所述电池结构自下而上依次包括：导电基底、电子传输层、钙钛矿层、钝化层、空穴传输层、电极。

所述导电基底为掺氟氧化锡(FTO)、掺铟氧化锡(ITO)、硅片中的一种；

所述电子传输层为二氧化钛、二氧化锡、氧化锌中的一种；

所述钙钛矿的成分为Cs

所述的钝化层为苯乙胺碘(PEAI)、4-甲氧基苯乙胺碘(MeO-PEAI)、邻氟苯乙胺碘(o-F-PEAI)、BA

所述空穴传输层为本发明提供的无需空气氧化同时保护钙钛矿的空穴传输层。

所述电极为Au电极、Ag电极、Cu电极、C电极中的一种。

进一步将无需空气氧化同时保护钙钛矿的空穴传输层应用在反型结构钙钛矿太阳电池中，得到包含该空穴传输层的新型反型钙钛矿太阳电池。所述电池结构自下而上依次包括：导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、钝化层、电子传输层、电极。

其中，所述导电基底为FTO、ITO、硅片中的一种。

所述空穴传输层为本发明提供的无需空气氧化同时保护钙钛矿的空穴传输层。

所述钙钛矿的成分为Cs

所述钝化层为PEAI、MeO-PEAI、o-F-PEAI、BA

所述电子传输层为PCBM/2,9-二甲基-4,7二苯基-1,10-菲啰啉(BCP)和C

所述电极为Au电极、Ag电极、Cu电极、C电极中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

本发明提供了一种无需空气氧化同时保护钙钛矿的空穴传输层，该空穴传输层含有一种温和高效而迅速的有机高价碘氧化剂，碘苯二乙酸，碘苯二乙酸可以实现对空穴传输层的快速氧化，同时还可以与4-叔丁基吡啶发生化学相互作用，抑制4-叔丁基吡啶对钙钛矿的破坏作用，从而有效提升钙钛矿太阳电池的性能可重复性和稳定性。

附图说明

图1为空穴传输层材料Spiro-OMeTAD的分子结构示意图。

图2为碘苯二乙酸的分子结构示意图。

图3为4-叔丁基吡啶的分子结构示意图。

图4为Spiro-OMeTAD和加入碘苯二乙酸后Spiro-OMeTAD的吸收曲线，在520nm左右的波长处，添加碘苯二乙酸后的Spiro-OMeTAD显示出一个明显的吸收峰，该吸收峰为自由基的吸收峰。

图5为Spiro-OMeTAD和加入碘苯二乙酸后Spiro-OMeTAD薄膜的电导率对比图。

图6为钙钛矿薄膜、表面旋涂4-叔丁基吡啶的钙钛矿薄膜、表面旋涂涂4-叔丁基吡啶和碘苯二乙酸的钙钛矿薄膜的光致发光光谱图。从光谱的发光强度可以看出，4-叔丁基吡啶会对钙钛矿薄膜造成破坏，而碘苯二乙酸可以减缓4-叔丁基吡啶对钙钛矿薄膜的破坏。

图7为以Spiro-OMeTAD和加入碘苯二乙酸后Spiro-OMeTAD为空穴传输层的钙钛矿太阳电池的光伏曲线。

实施案例

下面将结合本发明实施例与说明书附图对本发明的实施方案作进一步清楚、完整的阐述。所描述的实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，本发明的保护范围并不限于该实施例。

实施例1

本实施例以Spiro-OMeTAD为空穴传输层材料，将含有碘苯二乙酸的Spiro-OMeTAD空穴传输层应用于正型结构钙钛矿太阳电池中，所述电池结构自下而上依次为：透明导电基底FTO、TiO

本实施例包含以下步骤：

(1)清洁基底：以水-乙醇-水的顺序超声清洗FTO导电玻璃各15min，之后用氮气吹干。

(2)制备TiO

(3)制备钙钛矿层：

臭氧处理步骤(2)中得到的沉积TiO

将691.5mg PbI

称量90mg的FAI和13mg的MACl，将二者共同加入1mL的IPA溶剂之内并振荡均匀，之后以1900rpm的转速在上述退火之后PbI

(4)制备钝化层：称量4.5mg的PEAI，将其加入1mL的IPA溶剂内并振荡均匀，以4000rpm的转速在步骤(3)所述制备好的钙钛矿薄膜之上旋涂30s制备钝化层。

(5)制备空穴传输层：称量72.3mg的Spiro-OMeTAD粉末并将其溶解在1ml氯苯中，随后加入18μl的双三氟甲基磺酰亚胺锂溶液(520mg/ml双三氟甲基磺酰亚胺锂溶于乙腈)和27μl 4-叔丁基吡啶，再加入2mg碘苯二乙酸并振荡均匀。将前驱液以4000rpm的转速在步骤(4)所得钝化层之上旋涂30s。

(6)制备Au电极：在步骤(5)中所得到的空穴传输层之上真空蒸镀60nm厚度的金电极。

经由以上步骤，得到钙钛矿太阳电池。

以上所述实施例只是本发明的优选实施例，并非对实施方式的限定。本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内对实施方式进行的各种非本质性修改、延伸与替换，均落在本发明申请保护的范围之内。