一种多功能分子修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多功能分子修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属钙钛矿太阳能电池技术领域。

背景技术

钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为新一代的太阳能电池，具有高容忍因子、高吸光系数、长载流子寿命和高光生载流子迁移率等优异的光电性质，金属卤化钙钛矿材料的化学结构式为ABX

钙钛矿太阳能电池除了高性能之外，使用简单的溶液加工方法便可制得钙钛矿太阳能电池，制备过程能耗较低、成本低廉，然而，对于溶液法制备钙钛矿薄膜的过程中，由前驱体内非化学计量比、薄膜退火温度与湿度等造成的不可控的成核、结晶生长速率往往会在钙钛矿薄膜内部及界面滋生大量的缺陷，而这些缺陷会捕获光生载流子造成电荷复合，同时为外部水分、氧气的侵蚀提供通道，从而严重破坏了钙钛矿太阳能电池的器件性能。由于界面上的缺陷数量要远高于钙钛矿薄膜本身缺陷，目前通常采用路易斯酸碱、有机与无机铵盐作为界面修饰层，其中，路易斯酸如羧酸、磷酸、磺酸基、铵基可以通过配位键与钙钛矿中未配位的卤化物形成路易斯加合物；另一方面，路易斯碱，如羧酸基和胺基，以及富电子的芳香结构可以通过提供孤对电子来减少未配位的Pb

中国专利公开号：CN113013333A《多活性位点配体分子在钙钛矿电池中的应用及器件的制备方法》给出了同时含有N、O和S电子供体的路易斯碱分子，多个活性位点能够同时与钙钛矿薄膜发生化学作用，有效钝化钙钛矿的界面缺陷与释放界面应力用于修饰钙钛矿吸光层与空穴传输层之间的界面。但这些分子仍然只能单一钝化带正电或带负电的缺陷，难以同时钝化钙钛矿表面的Pb

发明内容

本发明的目的就是发明一种多功能分子修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，解决单一钝化带正电或带负电的缺陷问题。

为实现以上目的，本发明采用利用哌嗪单碘（PI）与苯乙基碘化铵（PEAI）的混合烷基链铵盐替代三维ABX3结构中的A位阳离子以形成二维金属卤化钙钛矿材料这一特性，提供了一种能够通过简单的溶液法同时钝化带正电荷和带负电荷缺陷，以及钝化钙钛矿表面的Pb

本发明的具体技术方案是：一种多功能分子修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：钙钛矿太阳能电池包括依次层叠的基底电极、空穴传输层、钙钛矿吸光层、界面修饰层、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极；所述的界面修饰层为哌嗪单碘（PI）与苯乙基碘化铵（PEAI）的混合烷基链铵盐溶解于异丙醇（IPA）中，其分子结构中R

所述的哌嗪单碘（PI）与苯乙基碘化铵（PEAI）的混合烷基链铵盐的浓度与溶剂调控，为0.5mg/mL PEAI+0.5mg/mL PI混合。

所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、γ-丁内酯（GBL）、乙二醇单甲醚（2-ME）、异丙醇（IPA）、乙醇（EtOH）和乙腈（ACN）中的一种或多种溶剂相混合。

所述的溶剂为IPA与DMF=1000：6的混合溶剂。

所述的钙钛矿光吸光层为[Cs

所述的基底电极为ITO导电玻璃或FTO导电玻璃。

所述的空穴传输层为MeO-2PACz、2-PACz、PTAA、Cu

所述钙钛矿吸光层的前驱体选自碘化铅（PbI

所述前驱体溶剂的浓度优选为1~2 mmol/ml。

所述最佳修饰浓度不仅仅适用于PI这一种有机铵盐，也适用于大部分有机铵盐作为顶界面修饰的材料，如ODADI、OAI等。

所述的电子传输层为C

所述的空穴阻挡层为BCP。

所述的金属电极为Au、Ag或Cu。

所述的界面修饰层的厚度为1~30 nm，钙钛矿光吸光层的厚度为300~2000nm。空穴传输层的厚度为1~100nm，电子传输层的厚度为1~100nm，空穴阻挡层的厚度为1~30nm，金属电极的厚度为30~300nm。

一种多功能分子修饰的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，基底电极的处理：用透明玻璃清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇依次对所述基底电极超声清洗30~40分钟，然后置于烘箱80~100 ℃烘干后，冷却，再用紫外臭氧清洗机或等离子清洗仪处理15~20分钟待用；

步骤二，空穴传输层的制备：在基底电极上旋涂空穴传输层材料的前驱体溶液，制备得到空穴传输层；所述旋涂的转速为2000~5000 rpm，时间为30~60 s，而后放置加热台90~130 ℃处理10~15分钟，得到1~100nm厚的空穴传输层；

步骤三，钙钛矿吸光层的制备：将钙钛矿前驱体溶液旋涂在空穴传输层上，以4000~6000 rpm的转速旋转40~70 s，而后放置加热台90~130 ℃处理30~40分钟，得到300~2000nm厚的钙钛矿吸光层；

步骤四，界面修饰层的制备：将哌嗪单碘（PI）和苯乙基碘化铵（PEAI）粉体分别溶解于溶剂中，再混合得到前驱体溶液，然后将前驱液动涂在钙钛矿吸光层上，以2000~5000rpm的转速旋转30~60 s，而后再80 ℃退火7分钟，得到1~30 nm厚的界面修饰层；

步骤五，电子传输层的制备：将旋涂过界面修饰材料的基片放到真空蒸镀仓的掩膜版内，真空度在8.0×10

步骤六，空穴阻挡层的制备：在电子传输层上继续蒸镀空穴阻挡层，真空度在8.0×10

步骤七，金属电极的制备：在空穴阻挡层上继续蒸镀金属电极，真空度在8.0×10

产生的积极有益效果是：第一，本发明使用的混合烷基链铵盐分子可通过配位键与钙钛矿中未配位的卤化物形成路易斯加合物；另一方面，还可以通过提供孤对电子来减少未配位的Pb

第二，本发明通过哌嗪单碘（PI）与苯乙基碘化铵（PEAI）的混合烷基链铵盐的浓度与溶剂调控，可在常温下搅拌至完全溶解，制作方法简单。

第三，区别于传统100℃退火10min的界面修饰退火工艺，本发明采用80℃退火7min低温短时退火工艺，且无需后续IPA清洗退火工艺步骤，在简化高效工艺旋涂流程的基础上，能显著减少IPA与钙钛矿薄膜接触时间，并在不损伤原有钙钛矿表面晶体结构以及最终器件的电荷收集效率下，进一步提升器件性能效率。

第四，本发明还采用动涂修饰材料的方式，进一步减少IPA与钙钛矿薄膜的接触时间，此外还能明显提升器件成功率和制备效率。

附图说明

图1：本发明的剖面叠层结构示意图。

图中，1、基底电极，2、空穴传输层，3、钙钛矿吸光层，4、界面修饰层，5、电子传输层，6、空穴阻挡层，7、金属电极。

实施方式

如图所示，本发明由基底电极1、空穴传输层2、钙钛矿吸光层3、界面修饰层4、电子传输层5、空穴阻挡层6和金属电极7依次叠层制作而成，其中，基底电极1为ITO导电玻璃，空穴传输层2为2-PACz，钙钛矿吸光层3为[Cs

第一步：用透明玻璃清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇依次对基底电极1超声清洗30分钟，然后置于烘箱80 ℃烘干后，冷却，再用紫外臭氧清洗机或等离子清洗仪处理20分钟待用；

第二步：在基底电极1上旋涂空穴传输层材料的前驱体溶液，制备空穴传输层2，旋涂的转速为3000 rpm，时间为30 s，而后放置加热台100 ℃处理10分钟，得到1 nm厚的空穴传输层2；

第三步：将钙钛矿前驱体溶液旋涂在空穴传输层2上，以5000 rpm的转速旋转50s，而后放置加热台100 ℃处理30分钟，得到500 nm厚的钙钛矿吸光层3；

第四步：将哌嗪单碘（PI）和苯乙基碘化铵（PEAI）粉体分别溶解于溶剂中，再混合得到前驱体溶液，然后将前驱液动涂在钙钛矿吸光层3上，以5000 rpm的转速旋转30 s，而后再80 ℃退火7分钟，得到3 nm厚的界面修饰层4；

第五步：将旋涂过界面修饰材料的基片放到真空蒸镀仓的掩膜版内，真空度在8.0×10

第六步：在电子传输层5上继续蒸镀空穴阻挡层6，真空度在8.0×10

第七步：在空穴阻挡层6上继续蒸镀金属电极7，真空度在8.0×10

经过实验，相应光伏器件的光电转化效率由17.86 %增加至20.88 %。本发明有效地降低了钙钛矿层与电子传输层间的能隙差，促进载流子的提取并抑制其复合，从而有效地提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，使得制备的钙钛矿太阳能电池也展现出优异的长时稳定性。