一种钙钛矿太阳能电池的晶界钝化方法

1.本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池的晶界钝化方法。


背景技术：

2.迄今为止，太阳能电池主要可分为三类：第一代晶硅太阳能电池、第二代化合物薄膜太阳能电池以及第三代新型太阳能电池。其中，钙钛矿太阳能电池作为新型太阳能电池中的佼佼者，凭借其吸光系数高、带隙可调、成本较低、制备简单等优点，受到研究人员的广泛关注。近年来，得益于研究者在钙钛矿形貌调控、电池结构、器件物理、界面工程、能带工程等方向的积极努力，钙钛矿太阳能电池获得飞速发展，其器件光电转换效率由2009年的3.8％提升到如今的25.5％(https://www.nrel.gov/pv/cell
‑
efficiency.html)。
3.从以上发展历程来看，钙钛矿太阳能电池发展快速，光电转换效率逐年提升，已经能够与硅基太阳能电池相比较，但其距离shockley
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queisser极限效率31％尚存在一定的差距(l.fu et al,energy&environmental science.2020,13,4017
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4056)。研究表明，钙钛矿薄膜晶界缺陷是制约钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和器件稳定性的关键因素，大量缺陷的存在会引起钙钛矿薄膜内部产生严重的电荷复合，造成光伏器件性能下降(l.d.whalley et al,journal of chemical physics.2017,146,220901)。
4.界面工程是一种钝化钙钛矿晶体表面缺陷的有效方法，有望进一步提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性。高质量量子点有望有效钝化钙钛矿晶界缺陷，降低钙钛矿薄膜内部缺陷态密度，对于开发高性能钙钛矿太阳能电池具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种钙钛矿太阳能电池的晶界钝化方法，通过纳米级尺寸c6h6nna3o6pb量子点钝化钙钛矿薄膜晶界缺陷，从而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率、改善器件稳定性。本发明方法具有制备工艺简单、成本低廉、易于操作且安全等优点。
6.本发明钙钛矿太阳能电池的晶界钝化方法，包括如下步骤：
7.步骤1：量子点合成
8.在0.1～0.2mmol c6h9nna3o6水溶液中缓慢加入0.05～0.1mmol pb(ch3coo)2溶液，并持续搅拌1～2h；进一步将上述混合溶液于空气中静置24～48h，之后将溶液离心、洗涤、干燥，获得c6h6nnao6pb量子点粉末材料，保存备用；
9.步骤2：钙钛矿晶界钝化
10.在fto或ito等导电玻璃衬底上沉积宽带隙半导体材料作为电子传输层。采用一步法制备钙钛矿吸收层薄膜。在手套箱n2氛围中，首先在电子传输层上均匀旋涂50～150ml钙钛矿前驱溶液，旋涂转速3500～4500rpm；然后将步骤1合成的c6h6nnao6pb量子点以0.5～20wt％的浓度分散于反溶剂中，并于钙钛矿前驱溶液旋涂开始6～10s时，在衬底上滴加含有量子点的反溶剂，旋涂20～30s后，将衬底置于100～110℃的加热台上退火5～15min，获
得目标钙钛矿薄膜。
11.步骤3：钙钛矿电池制备
12.按照常规方法在步骤2所得钙钛矿薄膜上方进一步旋涂空穴传输层、蒸镀金属电极，完成钙钛矿电池制备。
13.步骤2中，所述宽带隙半导体材料为tio2、sno2、zno、cds等，优选为tio2或sno2。
14.步骤2中，所述目标钙钛矿薄膜为ch3nh3pbi3(简写为mapbi3)、hc(nh2)2pbi3(简写为fapbi3)、(cs,ma,fa)pbi3等。
15.步骤2中，所述钙钛矿前驱溶液为一步法制备相应钙钛矿类型所需的mai、fai、csi、pbi2等前驱原料混合溶液，前驱物浓度范围为0.5～1.5g/ml；其中一价阳离子碘化物和pbi2符合化学计量比，dmf与dmso按照体积比9：1构成溶剂。
16.步骤2中，所述反溶剂为乙酸乙酯、氯苯、乙醚等。
17.步骤3中，所述空穴传输层材料为spiro
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ometad、p3ht等。
18.步骤3中，所述金属电极为au、ag等。
19.与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
20.1、单分散量子点一般采用传统的热注入法合成，而热注入法工艺繁琐、对合成条件要求高。本发明方法中量子点只须在室温、大气环境条件下制备，方法简单易操作；
21.2、本发明方法能够有效钝化钙钛矿晶界，降低钙钛矿薄膜内部缺陷态密度，有助于开发高性能钙钛矿太阳能电池。
附图说明
22.图1是利用量子点实施晶界钝化的钙钛矿太阳能电池结构示意图：1为fto或ito导电玻璃；2为电子传输层tio2、sno2、zno或cds等；3为钙钛矿吸收层；4为量子点；5为空穴传输层；6为金属电极au或ag等。
23.图2是室温溶液合成的c6h6nnao6pb量子点的tem图。可见，量子点尺寸约为3～5nm。
24.图3是利用量子点实施晶界钝化的mapbi3钙钛矿薄膜表面sem图。可见，钙钛矿晶粒约为500nm。
25.图4是通过和未通过量子点实施晶界钝化的mapbi3钙钛矿太阳能电池j
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v曲线图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
27.实施例1：
28.1、导电衬底的清洗：依次用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇依次对蚀刻过的fto玻璃进行超声波清洗15～20min，清洗完毕后用氮气气枪将玻璃吹干，然后进行uvo处理25min～30min；
29.2、tio2电子传输层的制备：将125μl二异丙氧基双乙酰丙酮钛溶液和1590μl正丁醇搅拌1h，之后将该混合溶液滴至fto玻璃上先以500rpm旋转3s,，再以2000rpm旋转30s，最
后135℃退火10min，接着在500℃下烧结30min得到tio2致密层，将tio2介孔薄膜基底臭氧处理20min后，转移到n2氛围的手套箱；
30.3、钙钛矿层的制备：将100ml mapbi3钙钛矿前驱体溶液铺满tio2电子传输层上，以转速为4000rpm进行旋涂。mapbi3钙钛矿前驱溶液为将pbi2和ch3nh3i混合于dmf和dmso溶剂中，其中pbi2：ch3nh3i：dmso的摩尔比为1：1：1，dmf：dmso的体积比为9：1，混合搅拌30min。在6～8s后，滴加100μl一定浓度的c6h6nnao6pb量子点的乙酸乙酯反溶剂，旋涂20s后，将薄膜置于105℃的加热台上加热10min，得到钙钛矿薄膜；
31.4、空穴传输层的制备：将72.3mg的spiro
‑
ometad、1ml的氯苯、28.8μl的4
‑
叔丁基吡啶、17.5μl的li
‑
tfsi的混合物20mg以4000rpm旋涂30s制备空穴传输层；
32.5、金属电极的制备：将步骤4制备的样品置于热蒸发装置，蒸镀80nm金属电极。
33.表1不同质量百分比的c6h6nnao6pb量子点对mapbi3钙钛矿太阳能电池性能影响
[0034][0035]
从表1中可以看出反溶剂中c6h6nnao6pb量子点的浓度对mapbi3钙钛矿太阳能电池效率有重要影响。
[0036]
实施例2：
[0037]
1、导电衬底的清洗：依次用洗洁精、去离子水、丙酮、乙醇、异丙醇依次对蚀刻过的fto玻璃进行超声波清洗15～20min，清洗完毕后用氮气气枪将玻璃吹干，然后进行uvo处理25min～30min；
[0038]
2、不同电子传输层的制备：(1)tio2：将125μl二异丙氧基双乙酰丙酮钛溶液和1590μl正丁醇搅拌1h，之后将该混合溶液滴至fto玻璃上先以500rpm旋转3s,，再以2000rpm旋转30s，最后135℃退火10min，接着在500℃下烧结30min得到tio2致密层；(2)sno2：将商用sno2水溶胶与去离子水按照体积比为1：7混合稀释，然后在洗干净的fto上进行旋涂，转速3000rpm，时间30s。旋涂结束后，置于加热台上150℃加热30min；(3)zno：选用粒径为20nm的zno与无水乙醇按1:3质量比稀释，然后在洗干净的fto上进行旋涂，转速2000rpm，时间30s。旋涂结束后，在70℃下烘干后置于500℃下烧结30min；(4)cds：将30ml硝酸镉水溶液(15mm)与39ml氨水混合，搅拌2min，再加入229ml硫脲水溶液(0.1m)，再搅拌2min，然后将清洗干净的fto垂直浸入混合溶液中，在保持65℃温度下保持持续搅拌4分钟。最后，取出fto/cds基板，用去离子水清洗，氮气气枪干燥，置于100℃的加热台上加热10min；
[0039]
3、钙钛矿层的制备：将100ml mapbi3钙钛矿前驱体溶液铺满在电子传输层上，以转速为4000rpm进行旋涂。mapbi3钙钛矿前驱溶液为将pbi2和ch3nh3i混合于dmf和dmso溶剂中，其中pbi2：ch3nh3i：dmso的摩尔比为1：1：1，dmf：dmso的体积比为9：1，混合搅拌30min。在6～8s后，滴加100μl质量百分比为0、0.25wt％c6h6nnao6pb量子点的乙酸乙酯反溶剂，旋涂
20s后，将薄膜置于105℃的加热台上加热10min，得到钙钛矿薄膜；
[0040]
4、空穴传输层的制备：将72.3mg的spiro
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ometad、1ml的氯苯、28.8μl的4
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叔丁基吡啶、17.5μl的li
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tfsi的混合物20mg以4000rpm旋涂30s制备空穴传输层；
[0041]
5、金属电极的制备：将步骤4制备的样品置于热蒸发装置，蒸镀80nm金属电极。
[0042]
表2不同电子传输层对经量子点钝化的mapbi3钙钛矿太阳能电池性能的影响
[0043][0044]
从表2中可以看出不同电子传输层对经量子点钝化的mapbi3钙钛矿太阳能电池效率有重要影响。