一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质材料在钙钛矿太阳能电池中的应用

本发明涉及钙钛矿太阳能电池，具体指一类带有氨基酸基团共轭聚电解质材料及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术：

1、有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池以其独特而优异的性能在光伏领域里引起了强烈的反响，这是基于钙钛矿材料本身具有高载流子迁移率、长载流子扩散长度、带隙可调、高光吸收系数、低激子结合能、适合溶液加工等优点。自从2009年首次报道以来，单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率实现25.7％；尽管这一效率与晶体硅太阳能电池相当，但是其稳定性有待于进一步提高，以满足未来商业化应用。钙钛矿材料由阳离子和阴离子组成，在退火过程中不可避免会产生大量的不良缺陷，主要存在于界面和晶界处，这些缺陷是激子的非辐射复合中心，在载流子迁移过程中捕获电子或空穴，严重影响电池性能。界面工程策略是一种提高钙钛矿太阳能电池效率的一种简便而又有效的方法，通过在电子传输层和钙钛矿吸收层或者钙钛矿吸收层和空穴传输层之间进行界面修饰；引入的界面材料与钙钛矿薄膜中未配位的pb2+或者i-键合，可以有效地钝化钙钛矿薄膜表面缺陷，抑制非辐射复合的形成，从而提高器件的性能以及稳定性。但是，现有的界面材料性能较差，不具有很好的导电性、湿度抵抗与能级匹配性，影响钙钛矿太阳能电池效率与稳定性。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中界面材料性能较差、不具有很好的导电性、湿度抵抗力与能级相匹配，提供一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质材料及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用。

2、第一方面，本发明提供一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质，具有如式(i)所示的结构：

3、

4、m为1-10；ar选自取代基取代的芳香结构单元(a)、(b)：

5、

6、进一步地，结构(a)中取代基r1为含有6-16个碳原子的烷基直链或支链，取代基r2为含有6-16个碳原子的烷基直链或支链；r1与r2可以相同也可以不同；

7、进一步地，结构(b)中取代基r3为含有6-16个碳原子的烷基直链或支链，取代基r4为含有6-16个碳原子的烷基直链或支链；r3与r4可以相同也可以不同。

8、进一步地，所述的共轭聚电解质具有如下任一所示的分子结构：

9、

10、第二方面，本发明提供上述共轭聚电解质(i)的制备方法，所述合成步骤如下所示：

11、原料a经还原得到中间体b，中间体b经溴化反应得到中间体c，中间体c经磺酰化产生中间体d；中间体d与boc-l-丝氨酸反应产生中间体e，中间体e脱去保护基团后产生中间体f，中间体f与相应的硼试剂进行聚合，得到最终的共轭聚电解质(i)。

12、所示式(i)的合成路线如下：

13、

14、第三方面，本发明提供一种钙钛矿太阳能电池，包括衬底、负极、电子传输层、钙钛矿层、界面修饰层、空穴传输层、正极。所述的界面修饰层包括上述的共轭聚电解质。

15、第四方面，本发明提供所述带有氨基酸基团的共轭聚电解质用作界面修饰层的方法：将所述的带有氨基酸基团的共轭聚电解质溶解于有机溶剂中，通过反溶剂法引入到钙钛矿薄膜上面，然后进行退火处理。

16、第五方面，本发明提供一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质在钙钛矿太阳能电池中的应用。

17、本发明技术方案，具有如下优点：

18、1.本发明提供的一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质，具有如式(i)所示的结构，前线轨道能级与钙钛矿层、空穴传输层相匹配，有效促进载流子的界面传输效率。

19、2.本发明提供的一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质，热分解温度大于300℃，热稳定性高，适合于电池制备过程中的热处理工艺，有助于提高太阳能电池的热稳定性。

20、3.本发明提供的一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质，聚合物链共轭程度大，具有较高的导电性；侧链带有烷基链，便于分子规则排列，可有效抵御环境湿度的侵袭，提高电池的稳定性。

21、4.本发明提供的一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质，提高钙钛矿结晶度，改善钙钛矿膜的质量，降低缺陷态密度，有效地提高电池的光电转换效率与稳定性。

技术特征：

1.一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的带有氨基酸基团的共轭聚电解质，其特征在于：r1与r2为含有6-16个碳原子的烷基直链或支链，可以相同也可以不同；r3与r4为含有6-16个碳原子的烷基直链或支链，可以相同也可以不同；

3.一种权利要求1-2任一所述的一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质的制备方法，其特征在于，所述共轭聚电解质的合成步骤如下所示：

4.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括衬底、负极、电子传输层、钙钛矿层、界面修饰层、空穴传输层、正极；所述的界面修饰层包括上述的带有氨基酸基团的共轭聚电解质。

5.根据权利要求4所述钙钛矿太阳能电池的带有氨基酸基团的共轭聚电解质作为界面修饰层的方法：其特征在于，将所述的带有氨基酸基团的共轭聚电解质溶解于有机溶剂中，通过反溶剂法引入到钙钛矿薄膜上面，然后进行退火处理。

6.本发明提供一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质在钙钛矿太阳能电池中的应用。

技术总结
钙钛矿材料具有高载流子迁移率、长载流子扩散长度、可调带隙、高吸光系数与低激子结合能等优点；在结构组成上钙钛矿属于有机无机杂化材料，其薄膜的界面和晶界处存在缺陷，成为非辐射复合中心，在载流子迁移过程中捕获电子或空穴，导致电池性能降低。本专利主要是将一类带有氨基酸基团的共轭聚电解质材料，作为界面材料，用于钙钛矿太阳能电池中修饰钙钛矿活性层；修饰过后的钙钛矿薄膜表面疏水性增强、晶粒尺寸变大、晶界变少、缺陷态密度显著降低，同时提高了对空气湿度的抵抗力，提高了电池的开路电压、短路电流与填充因子，实现了高效、稳定的钙钛矿太阳能电池。展示出该类材料在钙钛矿太阳能电池领域中潜在而广泛的应用前景。其中m为1‑10，R1、R2、R3与R4为含有6‑16个碳原子的烷基直链或支链，R1与R2可以相同也可以不同，R3与R4可以相同也可以不同。

技术研发人员：高德青,朱治国,徐文亭
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13