一种钙钛矿前驱体溶液、钙钛矿薄膜和电池及制备方法

本发明涉及太阳能电池，具体涉及一种钙钛矿前驱体溶液、钙钛矿薄膜和电池及制备方法。

背景技术：

1、光伏技术直接将太阳能转化为电能，为应对全球能源日益增长的挑战提供了一种清洁可持续的解决方案。钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells)是利用钙钛矿型半导体作为吸光材料的太阳能电池，属于第三代太阳能电池。在过去的十年中，以有机-无机杂化金属卤化物半导体为吸光材料的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因具有低成本、易制备和优异的光电转化性能等优点而备受关注并且发展迅速，钙钛矿材料也被认为是下一代低成本太阳能电池的吸光材料。

2、然而，缺陷问题始终是影响半导体材料光电性质的关键因素之一。对于有机-无机杂化钙钛矿太阳电池能来说，在钙钛矿薄膜的制备过程中会在薄膜表面及晶界处产生很多浅能级/深能级缺陷，影响钙钛矿太阳能电池的光电性能和稳定性，导致电池光电性能和稳定性较低，限制了钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中钙钛矿薄膜存在能级缺陷问题导致电池光电性能和稳定性较低，从而提供解决上述技术问题的一种钙钛矿前驱体溶液、钙钛矿薄膜和电池及制备方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种钙钛矿前驱体溶液，包括钙钛矿前体盐、添加剂和溶剂，所述添加剂如式(i)所示；

4、

5、其中，x选自卤素、氰基中的一种。

6、所述卤素为氟、氯或溴。

7、所述添加剂在前驱体溶液中的浓度为0.1～1.0mg/ml；优选为0.3～0.7mg/ml。

8、所述钙钛矿前体盐包括：二价金属盐以及有机卤化物和/或一价金属盐。

9、所述有机卤化物中的阳离子选自ch3nh3+、hc(nh2)2+、ch3(ch2)n·nh3+、c6h5(ch2)n·nh3+中至少一种，其中n为1-3的整数。

10、所述一价金属盐选自铯盐、铷盐中至少一种。

11、优选的，所述有机卤化物和一价金属盐的总和在前驱体溶液中的浓度为0.5-5mmol/ml，优选为1.5mmol/ml。

12、优选的，所述钙钛矿前体盐包括卤化甲胺、卤化甲脒、铯盐和铷盐，所述卤化甲胺、卤化甲脒、铯盐和铷盐的摩尔比为0.85:0.05:0.05:0.05。

13、所述二价金属盐选自铅盐、锡盐和铜盐中至少一种。

14、优选的，所述二价金属盐在前驱体溶液中的浓度为0.5-5mmol/ml，优选为1.5mmol/ml。

15、优选的，所述二价金属盐包括碘化铅和溴化铅，所述碘化铅和溴化铅的摩尔比为1.42:0.075。

16、所述溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜。

17、优选的，所述n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的体积比为(3～6):1。

18、一种钙钛矿薄膜的制备方法，将所述的一种钙钛矿前驱体溶液采用一步法沉积钙钛矿薄膜。

19、采用一步法沉积钙钛矿薄膜的步骤包括：将所述钙钛矿前驱体溶液旋涂在基板上，并在旋涂过程中滴加反溶剂，退火得到钙钛矿薄膜。

20、优选的，旋涂过程中的转速为1000～3000rmp，旋涂时间为30～50s。

21、优选的，旋涂过程中先以1000rmp～1500rmp的转速旋转8s～12s，接着以2500rmp～3000rmp的转速旋转38s～42s。

22、优选的，在旋涂过程中的第25s-35s滴加反溶剂。

23、优选的，所述反溶剂为氯苯，滴加量为150～300μl。

24、优选的，退火温度为100℃，退火时间为10～30分钟。

25、所述基板为表面设置空穴传输层的透明导电基底。

26、一种钙钛矿薄膜，采用所述的制备方法得到。

27、一种钙钛矿太阳能电池，包括所述的钙钛矿薄膜。

28、钙钛矿太阳能电池从下而上依次设置透明导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层和金属背电极。

29、优选的，透明导电基底为ito玻璃基底；所述空穴传输层为meo-2pacz((2-(3,6-二甲氧基-9h-咔唑-9-基)乙基)膦酸)薄膜；所述钙钛矿层由所述钙钛矿薄膜形成；所述电子传输层为c60/bcp复合薄膜；金属背电极为ag层。

30、本发明技术方案，具有如下优点：

31、1.本发明首次在钙钛矿前驱体溶液中引入具有式(i)所示结构的化合物，有效改善钙钛矿薄膜能级缺陷，从而提高钙钛矿电池的开路电压、光电转换效率和稳定性，且添加剂价格低廉。式(i)所示添加剂同时含有巯基、苯环，以及卤素或氰基，其中疏水苯环可以起到稳定钙钛矿晶格的作用，同时苯环的共轭结构倾向于增加式(i)和钙钛矿之间的相互作用，进而提升薄膜在贮存情况下的稳定性。巯基、卤素原子或氰基可与pb2+配位，钝化未配位的pb2+缺陷，降低薄膜的缺陷密度，提高钙钛矿膜质量，而且卤素原子还可以参与钙钛矿的晶格重组，改善器件的能级匹配，有助于降低电荷迁移过程中的能量损失。因而，通过该添加剂中的三个基团的协同作用，能够提高钙钛矿薄膜质量，获得高质量的钙钛矿薄膜，达到有效提高钙钛矿电池的开路电压、光电转换效率的同时兼顾更优的电池稳定性。

技术特征：

1.一种钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，包括钙钛矿前体盐、添加剂和溶剂，所述添加剂如式(i)所示；

2.根据权利要求1所述的一种钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述卤素为氟、氯或溴。

3.根据权利要求1或2所述的一种钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述添加剂在前驱体溶液中的浓度为0.1～1.0mg/ml；优选为0.3～0.7mg/ml。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述钙钛矿前体盐包括：二价金属盐以及有机卤化物和/或一价金属盐；

5.根据权利要求4所述的一种钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述二价金属盐选自铅盐、锡盐和铜盐中至少一种；

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述溶剂包括n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜；

7.一种钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，将权利要求1-6任一项所述的一种钙钛矿前驱体溶液采用一步法沉积钙钛矿薄膜。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，采用一步法沉积钙钛矿薄膜的步骤包括：将所述钙钛矿前驱体溶液旋涂在基板上，并在旋涂过程中滴加反溶剂，退火得到钙钛矿薄膜；

9.一种钙钛矿薄膜，其特征在于，采用权利要求7或8所述的制备方法得到。

10.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括权利要求9所述的钙钛矿薄膜。

技术总结
本发明公开了一种钙钛矿前驱体溶液、钙钛矿薄膜和电池及制备方法，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。钙钛矿前驱体溶液包括钙钛矿前体盐、添加剂和溶剂，所述添加剂如式(I)所示：其中X选自卤素、氰基中的一种。本发明在前驱体溶液中引入同时含有巯基、苯环，以及卤素或氰基的添加剂，有效改善钙钛矿薄膜能级缺陷，大幅提高了钙钛矿太阳能电池的开路电压、光电转换效率和稳定性，且成本低。

技术研发人员：谭占鳌,杨静,苏刚锋,董怡曼,刘冬雪,贡永帅
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13