一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池及其制备方法

本发明属于薄膜太阳电池领域，具体涉及一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池及其制备方法。

背景技术：

1、有机杂化钙钛矿太阳电池(pscs)由于其低成本的溶液加工、可调带隙、高吸收系数和显著的载流子迁移率而受到广泛关注，并且这种太阳电池的光电转换效率从2009年的3.8％提高到了2023年的25.73％。钙钛矿薄膜的结晶是影响电池器件性能的关键因素。研究表明，钙钛矿薄膜的结晶和生长过程遵循自上而下的生长模式，具体来说，钙钛矿薄膜的结晶通过溶剂蒸发开始于薄膜-空气界面，导致固体外壳快速形成，将高沸点的dmso溶剂封装在其中，最终使钙钛矿薄膜在电子传输层界面上产生具有丰富缺陷的孔洞，从而对太阳电池的性能及稳定性造成负面影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池及其制备方法，以解决钙钛矿薄膜结晶过程中埋底界面存在孔洞而导致钙钛矿太阳电池光伏性能衰减的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池，包括：

4、衬底；

5、电子传输层，设置在衬底上；

6、钙钛矿吸收层，设置在电子传输层上，钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有蛋白质功能化的纳米金簇；

7、空穴传输层，设置在钙钛矿吸收层上；

8、金属电极，设置在空穴传输层上。

9、本发明的进一步改进在于：

10、优选的，所述蛋白质功能化的纳米金簇中的蛋白质至少含有330个氨基酸残基，蛋白质分子量大于36kda。。

11、优选的，所述蛋白质功能化的纳米金簇中的蛋白质为牛血清白蛋白、卵清蛋白或丝素蛋白中的任意一种。

12、优选的，所述电子传输层的材料为tio2、zno或sno2中任一种。

13、优选的，所述电子传输层的材料为tio2。

14、一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

15、步骤1，预处理玻璃衬底，在玻璃衬底上制备电子传输层；

16、步骤2，在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱体溶液，所述钙钛矿前驱体的溶质为pbi2，nh2ch＝nh2i、ch3nh3cl和蛋白质功能化蛋白质纳米金簇，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜的混合溶液；退火后制得钙钛矿吸收层；

17、步骤3中，在钙钛矿吸收层上制备空穴传输层，在空穴传输层上制备金属电极。

18、优选的，所述钙钛矿前驱体溶液中蛋白质功能化蛋白质纳米金簇的浓度为0.1-0.2mg/ml。

19、优选的，所述钙钛矿前驱体溶液中pbi2，nh2ch＝nh2i和ch3nh3cl的摩尔比为(1.20～1.80)：(1.20～1.80)：(0.06～0.09)。

20、优选的，所述钙钛矿前驱体溶液的制备方法为：将功能化蛋白质纳米金簇溶解在溶剂中，搅拌后加入pbi2，nh2ch＝nh2i、ch3nh3cl，搅拌后制得钙钛矿前驱体溶液。

21、优选的，步骤2中，旋涂过程分为两个阶段，第一阶段的转速为500-3000rpm，旋涂时间为10～15s；第二阶段的转速为4000～6000rpm，旋涂时间为30～50s，第二阶段旋涂至剩余10～30s时滴加500～1000μl乙腈；

22、退火温度为100～180℃，退火时间为10～20min。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明公开了一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池，该太阳电池在钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有蛋白质功能化的纳米金簇，该体相掺杂纳米金簇制备高效稳定钙钛矿太阳电池，纳米金簇改善钙钛矿薄膜的结晶，并最终沉积于钙钛矿/电子传输层界面，填补埋底界面的孔洞，抑制载流子的非辐射复合，提高钙钛矿薄膜的电导率，并增强了载流子的传输和提取。蛋白质功能化的纳米金簇优化了钙钛矿埋底界面，提高了薄膜的电导率，使得器件效率有了明显的提高。本发明制备出的钙钛矿太阳电池器件的最高效率高达24.93％，并且在温度为25℃和相对湿度约为30％～40％的环境中暴露约4000小时后，无任何封装的的裸器件保持其初始效率的93％，对钙钛矿电池的产业化具有重要的实用价值和指导意义。

25、本发明还公开了一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池的制备方法，该制备方法通过在传统的钙钛矿溶液中加入蛋白质功能化的纳米金簇，其中钙钛矿材料是一种具有成本低、易成膜、窄带隙、高吸收系数、高载流子迁移率等特点的双极性半导体材料。将蛋白质功能化的纳米金簇材料加入到钙钛矿溶液中，一方面，添加剂中存在体相中时能够与钙钛矿中pbi2相互作用的官能团(酰胺基)，有助于它与钙钛矿胶体相互作用，从而获得高质量的钙钛矿薄膜；另一方面，由于钙钛矿的结晶方向是自上而下结晶，因此在结晶过程中，具有较大体积和较大质量的添加剂会随着结晶过程，逐渐移动至钙钛矿-电子传输层界面，从而在埋底界面富集，填补了埋底界面中存在的孔洞，抑制了非辐射复合，使得钙钛矿的电池的光电转换效率和稳定性得到明显提升。

技术特征：

1.一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述蛋白质功能化的纳米金簇中的蛋白质至少含有330个氨基酸残基，蛋白质分子量大于36kda。

3.根据权利要求2所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述蛋白质功能化的纳米金簇中的蛋白质为牛血清白蛋白、卵清蛋白或丝素蛋白中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述电子传输层的材料为tio2、zno或sno2中任一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述电子传输层的材料为tio2。

6.一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液中蛋白质功能化蛋白质纳米金簇的浓度为0.1-0.2mg/ml。

8.根据权利要求6所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液中pbi2，nh2ch＝nh2i和ch3nh3cl的摩尔比为(1.20～1.80)：(1.20～1.80)：(0.06～0.09)。

9.根据权利要求6所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液的制备方法为：将功能化蛋白质纳米金簇溶解在溶剂中，搅拌后加入pbi2，nh2ch＝nh2i、ch3nh3cl，搅拌后制得钙钛矿前驱体溶液。

10.根据权利要求6所述的一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤2中，旋涂过程分为两个阶段，第一阶段的转速为500-3000rpm，旋涂时间为10～15s；第二阶段的转速为4000～6000rpm，旋涂时间为30～50s，第二阶段旋涂至剩余10～30s时滴加500～1000μl乙腈；

技术总结
本发明公开了一种基于蛋白质纳米金簇的钙钛矿太阳电池及其制备方法，该太阳电池在钙钛矿吸收层和电子传输层之间设置有蛋白质功能化的纳米金簇，该体相掺杂纳米金簇制备高效稳定钙钛矿太阳电池，纳米金簇改善钙钛矿薄膜的结晶，并最终沉积于钙钛矿/电子传输层界面，填补埋底界面的孔洞，抑制载流子的非辐射复合，提高钙钛矿薄膜的电导率，并增强了载流子的传输和提取。蛋白质功能化的纳米金簇优化了钙钛矿埋底界面，提高了薄膜的电导率，使得器件效率有了明显的提高。

技术研发人员：刘生忠,李昆,张璐,游家学
受保护的技术使用者：陕西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16