通过有机硅聚合物结构调控同时实现缺陷钝化和室温封装的钙钛矿太阳能电池的方法

本发明属于钙钛矿光伏研究领域，涉及一种通过有机硅聚合物结构调控同时实现缺陷钝化和室温封装的钙钛矿太阳能电池的方法。

背景技术：

1、钙钛矿太阳能电池具有较低的生产成本和可低温制备等优势，受到研究者的广泛关注。其中，倒置钙钛矿电池的光电转换效率已高达25.37％，但由于长期稳定性不足的问题，使得其商业化进程停滞不前。钙钛矿电池的不稳定性主要表现在两个方面，包括本征不稳定性和环境不稳定性。目前，研究者基于添加剂工程实现缺陷钝化、抑制离子迁移和调控晶格应力等提升器件的本征稳定性。(science 2023,379,399.sci.adv.2021,7,eabg0633.joule 2022,6,1032.adv.mater.2019,31,1806823.chem.soc.rev.,2022,51,7509-7530.)然而，尽管器件性能有显著提升，但是仅仅依靠添加剂分子无法实现令人满意的器件稳定性。

2、为了进一步提升器件的环境稳定性，研究者通常对优化的器件进行封装。目前广泛报道的聚合物封装材料，如聚乙烯弹性体(poe)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(eva)、聚异丁烯(pib)等材料封装器件等。(energy environ.sci.,2018,11,144-150,adv.funct.mater.2019,1809129,acs appl.mater.interfaces 2017,9,25073-25081)这些聚合物能够有效抑制钙钛矿在环境中的相变和分解，封装后的钙钛矿器件展现了出色的稳定性。然而，这些聚合物材料在封装过程中通常需要依赖真空热压工艺，该过程会诱发钙钛矿的相分离从而导致器件效率的损失。因此，如何保证在不损失器件效率的情况下，实现钙钛矿器件的长期稳定运行是目前钙钛矿光伏领域亟需解决的关键难题。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种通过有机硅聚合物结构调控同时实现缺陷钝化和室温封装的钙钛矿太阳能电池的方法，实际应用中发现，封装前基于有机硅聚合物修饰的钙钛矿器件效率可达23.8％，封装后的钙钛矿器件效率损失为≤1％。同时，封装后的器件在50～60℃最大功率点追踪下运行1000小时保持初始效率的92％～95％。该策略极具商业化前景，有助于进一步推进钙钛矿光伏设备的广泛应用。

3、技术方案

4、一种通过有机硅聚合物结构调控同时实现缺陷钝化和室温封装的钙钛矿太阳能电池的方法，其特征在于步骤如下：

5、步骤1：将遥爪型有机硅聚合物通过反溶剂法引入钙钛矿吸光层实现缺陷钝化：将氧化镍niox水溶液旋涂在清洁的掺氟氧化锡fto导电玻璃衬底上，再将聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]即ptaa的氯苯溶液旋涂在fto/niox衬底上，将钙钛矿前体溶液旋涂在fto/niox/ptaa衬底上；

6、所述钙钛矿前体溶液旋涂速度为1000～2000rpm，旋涂10～30s后以5000～6000rpm旋转30～40s，在剩余12～15s时，加入遥爪有机硅聚合物pdma的氯苯溶液后完成旋涂；

7、将旋涂的钙钛矿薄膜转移到加热平台上，110～120℃下退火20～30min，待基板冷却至室温后，将pc61bm和c60混合溶液旋涂在钙钛矿上，4000～5000rpm旋转50～60s，在60～80℃下退火5～10min；

8、步骤2：将步骤1处理后的基板置于真空蒸发设备内的掩膜版上，同时将bcp(8～10nm),cr(5～8nm)和au(100～110nm)置于蒸发舟中，在2×10-6～3×10-6mbar下通过真空蒸发分别将三种物质蒸镀在基板上，完成钙钛矿电池的制备；

9、步骤3：将遥爪有机硅聚合物pdma和催化剂二月桂酸二丁基锡dbtdl在混合，将混合后未固化的聚合物滴加在盖板玻璃上，利用旋涂制备厚度均一的有机硅聚合物薄膜；将表面具有有机硅聚合物涂层的盖板玻璃压在钙钛矿电池上，在室温下静置后等待封装材料完全固化，即得到封装的钙钛矿太阳能电池。

10、所述遥爪有机硅聚合物pdma的氯苯溶液的浓度为0～0.1mg/ml。

11、所述步骤1加入的pdma的氯苯溶液为150～180μl。

12、所述步骤1中pc61bm和c60混合溶液的质量比为4︰1。

13、所述步骤1中加入的pc61bm和c60混合溶液为25～50mg/ml。

14、所述步骤2中pdma与催化剂二月桂酸二丁基锡dbtdl的比例为：3～6g pdma与20～30mg dbtdl。

15、所述步骤2中pdma与dbtdl的混合在室温下搅拌5～10min。

16、所述步骤2中利用旋涂仪制备厚度均一的有机硅聚合物薄膜的转速为1000～3000rpm，时间为30～40s。

17、所述遥爪有机硅聚合物pdma的制备通过聚二甲基硅氧烷htps和3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷聚合反应制成，其中，所述的聚二甲基硅氧烷优选羟基封端的聚二甲基硅氧烷。

18、所述聚二甲基硅氧烷htps和3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷的比例为：200～300g htps与10～30g的3-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷。

19、有益效果

20、本发明提出的一种通过有机硅聚合物结构调控同时实现缺陷钝化和室温封装的钙钛矿太阳能电池的方法，首先是合成一种遥爪型有机硅聚合物，将该聚合物通过反溶剂法引入钙钛矿吸光层实现缺陷钝化。此外，利用缩合反应将对有机硅聚合物制备成聚合物凝胶，通过聚合物凝胶室温下的快速交联固化实现钙钛矿电池的封装。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、(1)相比于现有的乙烯-醋酸乙烯封装材料固有的吸湿率较高、抗老化性能差、对光伏器件存在腐蚀性等问题，该有机硅聚合物具有透明度高、内应力小、抗黄变性能强等优势，其不仅可作为添加剂来修饰钙钛矿吸光层，抑制载流子的非辐射复合并提升光伏器件效率，也可作为封装材料实现钙钛矿太阳能电池的室温快速封装，有效阻隔外界水氧对钙钛矿的破坏，抑制钙钛矿的相变和分解，从而提升钙钛矿光伏器件的稳定性。同时，该有机硅聚合物的钝化-封装协同方法过程简便高效，成本低廉，原料来源广泛，有助于大规模生产应用。

23、(2)相比于紫外光固化封装过程中脱气蒸汽和真空热压封装过程中真空高压环境对钙钛矿造成损坏，该有机硅聚合物可实现室温下的快速交联固化，封装过程简便、高效，无需使用真空热压设备，对太阳能光伏器件的性能损失更小。

24、通过应用研究发现，利用pdma聚合物修饰后的钙钛矿器件效率可达23.8％，封装后的钙钛矿电池效率损失为≤1％；另外，封装后的器件在50～60℃最大功率点追踪下运行1000小时保持初始效率的92％～95％，而常规封装工艺的效率损失为2％～4％，且封装后器件在50～60℃最大功率点追踪下运行1000小时仅初始效率的80％～90％。该工艺具有极好商业前景，有助于进一步推进钙钛矿光伏设备的广泛应用。