有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池及其制备方法

本发明涉及太阳能电池，具体涉及有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、太阳能资源分布广泛、产量巨大、寿命长久且环境友好，并且可以直接利用，无须开采和运输，还不会对环境造成污染，因其环境和经济友好性、便利性以及产量丰富性等众多优异特性，太阳能成为近年来使用最为普遍的可再生能源之一。如今，在“双碳”的大背景下，光伏应用越来越广泛，把节约不可再生能源转换成利用可再生能源逐渐成为现代化生活的一部分，其中钙钛矿太阳能电池作为第三代电池，有转换效率发展速度快、电池发电成本低等众多优点，成为当前光伏器件研究的热点之一。

2、钙钛矿太阳能电池由于其成本低和制备工艺简单以及光电转化效率高等优点引起了越来越多的关注，在下一代半导体光伏技术中显示出巨大的发展潜力。在众多科研人员的努力下经过十多年的快速发展，钙钛矿单结电池效率逐渐提高，可与单晶硅太阳能电池的光电转换效率记录相媲美，钙钛矿单结电池效率已超过25％，成为当前纳米技术和光电转换材料研究的热点之一，是最有希望取代传统太阳能电池的新型太阳能转换材料。但由于钙钛矿薄膜材料以及电池器件长期稳定性较差，使得钙钛矿太阳能电池在实现工业化方面仍需做出努力。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该制备方法直接在制备好的钙钛矿层上旋涂一定量的有机聚合物的溶液，并控制后退火时间和温度，在调控钙钛矿晶体大小和结晶速度的同时，钝化钙钛层表面的缺陷，不仅可以提高电池能量转换效率，还可以提高电池器件整体的耐湿性和长期稳定性，达到克服现有技术中器件稳定性差的技术难点的目的，具有容易实现、制备简单等优点。

2、有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，所述反式钙钛矿太阳能电池由透明导电衬底、空穴传输层、钙钛矿层、钙钛矿修饰层、电子传输层和顶部金属电极依次层叠而成；

3、所述钙钛矿修饰层由路易斯碱有机化合物对钙钛矿层进行表面修饰得到。

4、优选的，所述路易斯碱有机化合物为1-氨基-1h-咪唑-2(3h)-硫酮或2-氨基-5-甲基-1,3,4-噻二唑中的一种，所述1-氨基-1h-咪唑-2(3h)-硫酮或2-氨基-5-甲基-1,3,4-噻二唑的浓度为1-3mg/ml。

5、优选的，所述透明导电衬底的电极材料为fto导电玻璃、ito导电玻璃银纳米线、氟掺杂的氧化锡(fto)或氧化铟锡(ito)中的一种。

6、优选的，所述空穴传输层材料为spiro-ometad、pedot:pss或ptaa中的一种。

7、优选的，所述钙钛矿层结构为abx3，其中a为ch3nh3+(ma+)、nh2ch＝nh2+(fa+)、cs+、ru+、k+中的一种或几种；b为pb2+、sn2+、ge2+、sb3+、bi3+、ag+中的至少一种；x为cl-，br-，i-中的一种或几种。

8、优选的，所述电子传输层为pcbm、sno2或cuscn中的一种。

9、优选的，所述顶部金属电极为金、银或铜中的一种。

10、优选的，所述透明导电衬底厚度为80～100nm，所述空穴传输层厚度为100～130nm，所述经过修饰的钙钛矿层厚度为400～500nm，所述电子传输层厚度为100～130nm所述顶部金属电极的厚度为80～100nm。

11、所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

12、(1)提供透明导电衬底；

13、(2)在透明导电电极上制备空穴传输层；

14、(3)在空穴传输层上制备钙钛矿层，并使用路易斯碱有机化合物对钙钛矿层进行表面修饰，得到钙钛矿修饰层；

15、(4)在钙钛矿修饰层上制备电子传输层；

16、(5)在电子传输层上制备顶部金属电极。

17、优选的，步骤(3)中路易斯有机化合物对钙钛矿层进行表面修饰的方法为：在氮气气氛下，将路易斯碱有机化合物溶于溶剂中，使路易斯碱有机化合物的溶度为1-3mg/ml，随后滴加并旋涂在钙钛矿层表面，在60～100℃进行退火处理，退火时间为5-8min；

18、所述溶剂为异丙醇、正丁醇、氯苯、甲苯、苯甲醚、环己烷有机溶剂中的一种。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

20、1、相比于已有的界面修饰钙钛矿薄膜的方法，本发明采用1-氨基-1h-咪唑-2(3h)-硫酮或2-氨基-5-甲基-1,3,4-噻二唑路易斯碱有机化合物进行界面修饰，并通过控制钙钛矿层退火处理的时间和温度控制钙钛矿晶体的结晶速度和大小。该路易斯碱有机化合物中咪唑基团有钝化钙钛矿的表面、改善钙钛矿薄膜的电荷传输性能的作用；-nh2可以和pb2+形成很强的配位键，从而降低钙钛矿的结晶速率，提高结晶质量；包含孤对电子s的路易斯碱分子用来钝化低配位pb2+缺陷(pb-s键远强于pb-i键)，从而抑制非辐射复合；

21、2、本发明采用路易斯碱有机化合物修饰钙钛矿层表面缺陷，并通过钙钛矿修饰层时的退火时间与温度控制钙钛矿晶体大小和结晶速度，以提高薄膜质量和电池器件整体的能量转换效率和稳定性。本发明经过有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池的电池效率、耐湿性以及长期稳定性明显高于未经过该有机聚合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池。

技术特征：

1.有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述反式钙钛矿太阳能电池由透明导电衬底、空穴传输层、钙钛矿层、钙钛矿修饰层、电子传输层和顶部金属电极依次层叠而成；

2.根据权利要求1所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述路易斯碱有机化合物为1-氨基-1h-咪唑-2(3h)-硫酮或2-氨基-5-甲基-1,3,4-噻二唑中的一种。

3.根据权利要求1所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电衬底的电极材料为fto导电玻璃、ito导电玻璃银纳米线、氟掺杂的氧化锡(fto)或氧化铟锡(ito)中的一种。

4.根据权利要求1所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层材料为spiro-ometad、pedot:pss或ptaa中的一种。

5.根据权利要求1所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿层结构为abx3，其中a为ch3nh3+(ma+)、nh2ch＝nh2+(fa+)、cs+、ru+、k+中的一种或几种；b为pb2+、sn2+、ge2+、sb3+、bi3+、ag+中的至少一种；x为cl-，br-，i-中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电子传输层为pcbm、sno2或cuscn中的一种。

7.根据权利要求1所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述顶部金属电极为金、银或铜中的一种。

8.根据权利要求1所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述透明导电衬底厚度为80～100nm，所述空穴传输层厚度为100～130nm，所述经过修饰的钙钛矿层厚度为400～500nm，所述电子传输层厚度为100～130nm所述顶部金属电极的厚度为80～100nm。

9.一种权利要求1-8任一项所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤(3)中路易斯有机化合物对钙钛矿层进行表面修饰的方法为：在氮气气氛下，将路易斯碱有机化合物溶于溶剂中，使路易斯碱有机化合物的溶度为1-3mg/ml，随后滴加并旋涂在钙钛矿层表面，在60～100℃进行退火处理，退火时间为5-8min；

技术总结
本发明属于太阳能电池技术领域，具体为有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池及其制备方法，所述反式钙钛矿太阳能电池由透明导电衬底、空穴传输层、钙钛矿层、钙钛矿修饰层、电子传输层和顶部金属电极依次层叠而成；所述钙钛矿修饰层由路易斯碱有机化合物对钙钛矿层进行表面修饰得到。本发明经过有机化合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池的电池效率、耐湿性以及长期稳定性明显高于未经过该有机聚合物修饰的反式钙钛矿太阳能电池。

技术研发人员：韩嘉玉,徐重阳,吴晟,白恩瑞,张立泉,谢小银,刘学文
受保护的技术使用者：烟台哈尔滨工程大学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14