有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及制备方法与流程

本发明涉及钙钛矿太阳能电池
技术领域：
，尤其涉及一种有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及制备方法。
背景技术：
：太阳能电池利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能，是利用太阳能最为有效的手段之一。器件寿命和光电转换效率(pce)是决定太阳能电池的最终发电成本的两个关键因素。近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池以其效率高、制备简单、成本低的优势获得了学术界和产业界的众多关注。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在过去短短几年内迅速提升至23.7％，已经超过了商业化的碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池，是发展最快的一类薄膜太阳能电池。为了进一步提高钙钛矿太阳能电池的性能，研究人员在钙钛矿薄膜的制备方法、新型器件结构的设计、钙钛矿结构的组成工程和界面改性等方面做出许多努力，其中界面改性，特别是电子传输层/钙钛矿界面的改性，通过促进电荷的提取，减少电荷的复合，避免漏电流，控制钙钛矿晶体的生长，是被广泛应用于提高器件性能的有效方法。常用的界面修饰层材料有二甲基亚砜，吡啶，乙醇，萘硫醇等，这些物质可以在一定程度上起到界面修饰和钝化的效果，但此类界面修饰材料通常是通过范德华力或氢键作用来减少缺陷，而范德华力或氢键作用相对较弱；也有一些研究开展了单含单一羟基有机胺化合物作为界面修饰层，但仅仅依靠单羟基的有机胺的化学键，作用力仍然较弱，因此经以上所述两类物质修饰的钙钛矿电池的电子传输层或空穴传输层与钙钛矿吸收层之间的界面缺陷仍然很严重，影响了钙钛矿电池的稳定性和光电转换效率。技术实现要素：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种以有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池及制备方法，通过提高电子传输层或空穴传输层的亲和力，实现了载流子有效的传输，降低了电子传输层或空穴传输恩公与钙钛矿吸收层之间的界面缺陷，所制备的钙钛矿电池的稳定性和光电转换效率得到明显的提升。以有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，包括透明导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和背电极层，其中钙钛矿吸收层与电子传输层或空穴传输层之间设置有一层界面修饰层，所述界面修饰层为含羟基的有机胺，其结构通式为：r(oh)x(nh2)y，其中r为c1-c12的烷基、取代或未取代的芳基，x≥2，y≥1。如上所述的以有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：1)在透明导电层上制备电子传输层或空穴传输层；2)在电子传输层或空穴传输层上沉积所述有机胺溶液，得到界面修饰层；3)在界面修饰层上制备钙钛矿吸收层；4)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层或电子传输层；5)在空穴传输层或电子传输层上制备背电极层。与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过含羟基的有机胺作为界面修饰层，一方面提高了电子传输层或空穴传输层的亲和力，提高了钙钛矿薄膜的质量，从而在电子传输层或空穴传输层与钙钛矿吸收层界面上实现了更好的载流子运输，减少电子复合。另一方面，提高了电荷收集效率，同时使得界面之间的缺陷减少，减少了界面的能量壁垒，同时提高装置的稳定性和光电转换效率。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。图1为本发明的钙钛矿太阳能电池的正式结构图；图2为本发明的钙钛矿太阳能电池的反式结构图；图3为本发明实施例中有机胺的结构图；图4为本发明实施例中有机胺的结构图。附图标记说明101-透明导电衬底、102-电子传输层、103-钙钛矿吸收层、104-空穴传输层、105-背电极层具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供了一种以有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，包括透明导电层、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和背电极层，其中钙钛矿吸收层与电子传输层或空穴传输层之间设置有一层界面修饰层，其特征在于，界面修饰层为含羟基的有机胺，其结构通式为：r(oh)x(nh2)y，其中r为c1-c12的烷基、取代或未取代的芳基，x≥2，y≥1。有机胺化合物中有较多的羟基和氨基时，拥有更多可以与钙钛矿吸收层中的铅离子相互作用的反应基团之间，通过路易斯酸碱例子相互作用来填补铅离子的缺陷，使界面接触更加牢固，提高了电子传输层或空穴传输层之间的电子传输性能。本发明还提供了一种上述以有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括：1)在透明导电层上制备电子传输层或空穴传输层；2)在电子传输层或空穴传输层上沉积所述含羟基的有机胺溶液，得到界面修饰层；3)在界面修饰层上制备钙钛矿吸收层；4)在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层或电子传输层；5)在空穴传输层或电子传输层上制备背电极层。界面修饰层的制备方法采用旋涂含羟基的有机胺溶液的方法，其中含羟基的有机胺溶液的浓度为0.05mm-5mm(mmol/l)，在此浓度范围内，有机胺溶液的粘度适中，可以得到均匀平整的界面钝化层薄膜；旋涂速度为3000rpm-6000rpm，旋涂时间为10s-50s，保证所制备界面修饰膜层的均匀性和达到所需要的厚度5nm-20nm。可以理解的，界面修饰层的制备方法还可以采用刮涂、喷涂、狭缝涂布等，根据制备界面修饰层的膜层面积大小及实验条件等进行选择。本发明所提供的钙钛矿太阳能电池包括正式结构和反式结构，正式结构如图1所示，包括依次设置的透明导电层101、电子传输层102、钙钛矿吸收层103、空穴传输层104和背电极层105；反式结构如图2所示包括依次设置的透明导电层101、空穴传输层102、钙钛矿吸收层103、电子传输层104和背电极层105。透明导电层包括但不限于氧化物材料，例如掺氟氧化锡(fto)、掺铟氧化锡(ito)或掺铝氧化锌(azo)等；金属材料，例如au、al、pt等。透明导电层的制备方法包括但不限于磁控溅射、蒸镀、原子层沉积，透明导电层的厚度为50nm-700nm。电子传输层包括但不限于无机物类材料，例如氧化钛(tio2)、氧化锡(sno2)和氧化锌(zno)等；有机物类材料，例如富勒烯衍生物等；以及它们的组合。电子传输层的制备方法包括但不限于溶液法、化学气相沉积法、磁控溅射法等，电子传输层的膜厚度为10nm-500nm。空穴传输层包括但不限于有机物类材料，例如spiro-ometad(2，2′，7，7′-四[n，n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9，9′-螺二芴)；有机金属盐，例如酞菁铜等；聚合物类材料，例如ptaa(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺])等；无机类材料，例如cui、cuscn等。空穴传输层的制备方法包括但不限于刮涂、旋涂、蒸发、气相输运沉积等，空穴传输层的厚度为100-300nm。钙钛矿吸收层为具有abx3结构的材料，其中：a为单价阳离子，包括但不限于rb+、na+、k+、cs+、hn＝chnh3+(表示为fa)、ch3nh3+(表示为ma)及它们的组合；b为二价阳离子，包括但不限于sn2+、pb2+它们的组合；x选自卤素阴离子。用于本申请的钙钛矿吸收层包括但不限于(cs)x(fa)1-xpbi3、(fa)x(ma)1-xpbi3、(fa)x(ma)1-xpbiycl1-y、(fapbi3)x(mapbbr3)1-x等；其中x＝0-1，y＝0-1。背电极包括但不限于金属类电极，例如au、ag、ni等；背电极层的制备方法包括磁控溅射或蒸发法，厚度为50nm-200nm。下面通过具体实施例的制备步骤来对本发明进行详细的说明。实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。实施例1如图1所示的钙钛矿太阳能电池的正式结构图，具体制备方法如下：1)清洗fto导电基底，厚度为80nm。2)在fto导电基底上旋涂sno2水溶液，180℃退火，得到厚度为100nm的电子传输层。3)在电子传输层上旋涂浓度为2mm的(oh)2chch2nh2(结构式如图3所示)水溶液，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为20s，100℃退火，得到厚度为10nm的界面修饰层。4)配制pbi2的dmf/dmso混合液(vdmf:vdmso＝9:1)和fai、mabr、macl的异丙醇混合液；在界面修饰层上旋涂pbi2的dmf/dmso混合液，70℃退火，得到pbi2膜层；在pbi2膜层上旋涂fai的混合溶液，150℃退火，得到厚度为200nm的钙钛矿吸收层。5)在钙钛矿吸收层上旋涂spiro-ometad的氯苯溶液，退火，得到厚度为100nm的空穴传传输层。6)在空穴传输层上蒸镀制备au电极，厚度为80nm。实施例2如图1所示的钙钛矿太阳能电池的正式结构图，具体制备方法如下：具体制备步骤如实施例1所述，不同之处在于：3)在电子传输层上旋涂浓度为0.05mm的(oh)2chch2nh2(结构式如图3所示)水溶液，旋涂速度为4000rpm，旋涂时间为10s，100℃退火，得到厚度为5nm的界面修饰层。实施例3如图1所示的钙钛矿太阳能电池的正式结构图，具体制备方法如下：具体制备步骤如实施例1所述，不同之处在于：3)在电子传输层上旋涂浓度为5mm的(oh)2chch2nh2(结构式如图3所示)水溶液，旋涂速度为6000rpm，旋涂时间为50s，100℃退火，得到厚度为20nm的界面修饰层。实施例4如图1所示的钙钛矿太阳能电池的正式结构图，具体制备方法如下：具体制备步骤如实施例1所述，不同之处在于：3)在电子传输层上旋涂浓度为1mm的(oh)2chch2nh2(结构式如图3所示)水溶液，旋涂速度为5000rpm，旋涂时间为40s，100℃退火，得到厚度为8nm的界面修饰层。实施例5如图1所示的钙钛矿太阳能电池的正式结构图，具体制备方法如下：具体制备方法如实施例1所述，不同之处在于：3)在电子传输层上旋涂浓度为2mm的(oh)2c6h3ch2nh2(结构式如图4所示)水溶液，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为20s，100℃退火，得到厚度为10nm的界面修饰层。实施例6如图2所示的钙钛矿太阳能电池的反式结构图，具体制备方法如下：1)清洗fto导电基底，厚度为80nm。2)在fto导电基底上旋涂spiro-ometad的氯苯溶液，退火，得到厚度为100nm的空穴传传输层。3)在空穴传输层上旋涂浓度为2mm的(oh)2c6h3ch2nh2(结构式如图4所示)水溶液，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为20s，100℃退火，得到厚度为10nm的界面修饰层。4)配制pbi2的dmf/dmso混合液(vdmf:vdmso＝9:1)和fai、mabr、macl的异丙醇混合液；在界面修饰层上旋涂pbi2的dmf/dmso混合液，70℃退火，得到pbi2膜层；在pbi2膜层上旋涂fai的混合溶液，150℃退火，得到厚度为200nm的钙钛矿吸收层。5)在钙钛矿吸收层上旋涂sno2水溶液，180℃退火，得到厚度为100nm的电子传输层。6)在电子传输层上蒸镀制备au电极，厚度为80nm。对比例1如图1所示的钙钛矿太阳能电池的正式结构图，具体制备方法如下：具体制备步骤如实施例6所示，不同之处在于：3)在电子传输层上旋涂浓度为2mm的2-萘硫醇溶液，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为20s，100℃退火，得到厚度为10nm的界面修饰层。对比例2如图2所示的钙钛矿太阳能电池的反式结构图，具体制备方法如下：具体制备步骤如实施例6所示，不同之处在于：3)在空穴传输层上旋涂浓度为2mm的2-萘硫醇溶液，旋涂速度为3000rpm，旋涂时间为20s，100℃退火，得到厚度为10nm的界面修饰层。实验结果与分析钙钛矿太阳能电池组件的表征：将实施例中所制备的钙钛矿太阳能电池，采用keithley2400smu，am1.5gsolarirradiation在100mw/cm2的光源下进行器件测试，所得测试数据如下表1所示：表1钙钛矿太阳能电池性能测试表电流密度(ma/cm2)电压(v)填充因子(％)pce(％)实施例123.921.0996877.4620.38实施例223.981.0817876.5619.86实施例324.861.0773674.1619.86实施例424.861.0446774.5119.35实施例524.861.0307774.2819.04实施例623.71.0548374.8418.71实施例723.761.0692775.5219.18实施例823.71.0699374.9719.01对比例122.461.0281.3818.64对比例222.871.0503572.2517.36实施例1-8为采用本发明所提供的含羟基的有机胺作为界面修饰层的钙钛矿太阳能电池，光电转换效率相较于对比例1-2所采用的2-萘硫醇，尤其是实施例1所制备的钙钛矿太阳能电池，具有优异的光电转换性能，光电转换效率为20.38％。虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。当前第1页12