二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用

本发明属于钙钛矿太阳能电池，具体涉及一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用。

背景技术：

1、能源是现代经济发展的重要推动力，也是决定生活质量的关键因素。随着人类社会的快速发展，对能源的需求已成为当今人类必须面对的主要问题。同时，由于人类的不断开采，煤、石油、天然气等不可再生能源逐渐被消耗殆尽，同时化石能源的燃烧给人们生活带来的环境问题也十分严重，威胁着全球生态。因此，开发和利用可再生清洁能源成为解决目前日益严重的能源短缺和环境污染问题的重要方法之一。在太阳能、风能、核能、生物质能、地热能、潮汐能等一系列清洁可再生能源中，太阳能以独特的优势而成为人们关注的焦点。

2、钙钛矿太阳能电池以其低成本、制备工艺简单、光电转化效率高等优点吸引了人们的目光，短短几年间，其光电转化效率已经达到26.0％。此外，钙钛矿光伏器件可通过简单的低温溶液法制备，制备工艺简单，大大降低了生产成本，且可实现大面积制备，产业化前景巨大。但由于其对水、氧、光照、高温等的不稳定性，大大限制了钙钛矿太阳能电池的实际应用。为克服这种不稳定性，科研人员做出了很多努力，包括替换甲胺阳离子，采用疏水性好的传输层隔绝钙钛矿与外界的接触等方法，其中，利用大的有机胺阳离子代替甲胺阳离子，使得传统的三维钙钛矿结构转变为了“无机层-有机胺分子-无机层”的二维或低维结构，由于有机胺分子的疏水性，以及有效地抑制钙钛矿内部离子移动和降低内部自掺杂效应，因此这一结构从根本上提高了钙钛矿的稳定性。但与此同时，有机胺分子在无机层中间形成了一个绝缘层，限制了电荷的传输，导致了低的光电转换效率。

3、现在人们用有机胺分子部分地替代甲胺阳离子，形成了一种层状的量子阱结构，在保证钙钛矿结构稳定性的同时，提高了电荷的传输效率，很好地提升了器件的光电转化效率。现在使用最多的是单个有机大分子如苯甲胺盐和丁胺盐，但是常用的有机大分子导电性差，导致低维钙钛矿无机层之间的电荷输运较差，使得低维相钙钛矿器件的功率转换效率通常比三维器件低得多。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用，通过二元混合阳离子策略构筑垂直晶体取向的薄膜，优化钙钛矿薄膜的载流子传输用以解决光电转换效率较差的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池，从上到下依次包括导电基底、空穴传输层、二元混合阳离子钙钛矿薄膜、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极；

4、所述二元混合阳离子钙钛矿薄膜由两种有机胺大分子盐与甲胺碘盐、碘化铅溶解在醋酸甲胺溶液中制备得到。

5、进一步地，所述两种有机胺大分子盐与甲胺碘盐为4-氟苯乙胺碘盐和胍基丙酸氢碘酸盐。

6、本发明还公开了上述二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

7、s1：将两种有机胺大分子盐与甲胺碘盐、碘化铅溶解在醋酸甲胺溶液中，搅拌后得到钙钛矿前驱体溶液；

8、s2：将空穴传输材料涂覆在导电基底上，在导电基底上得到空穴传输层；

9、s3：在空穴传输层上涂覆钙钛矿前驱体溶液，随后进行退火处理，在空穴传输层上得到二元混合阳离子钙钛矿薄膜；

10、s4：随后在二元混合阳离子钙钛矿薄膜上涂覆旋涂电子传输层，再在旋涂电子传输层表面蒸镀空穴阻挡层和金属电极。

11、进一步地，s1中，所述两种有机胺大分子盐分别为4-氟苯乙胺碘盐和胍基丙酸氢碘酸盐；所述4-氟苯乙胺碘盐、胍基丙酸氢碘酸盐、甲胺碘盐和碘化铅的摩尔比为(0.2～0.4)：(1.6～1.8)：4：(4～6)；所述搅拌是在60℃下搅拌6～12h；所述碘化铅和醋酸甲胺溶液的用量比为(4～6)mol：(0.8～1.2)ml。

12、进一步地，s1中，所述钙钛矿溶液的浓度为300～500mg/ml。

13、进一步地，s2中，所述空穴传输材料采用旋涂的方式涂覆在导电基底上；所述旋涂的工艺参数为：在5000转下旋涂50s，随后在150℃退火30min；所述空穴传输材料为pedot：pss；所述导电基底为导电ito玻璃。

14、进一步地，s3中，涂覆钙钛矿前驱体溶液采用加热旋涂法的方法进行；在进行加热旋涂法进行涂覆时，将导电基底加热至70～90℃；所述退火处理的温度为90～100℃，时间为4～6min。

15、进一步地，s4中，所述电子传输层的材料为pcbm；

16、所述涂覆电子传输层的方法为旋涂，包括以下步骤：

17、将16～18mg pcbm溶解于1ml氯苯中，在常温下搅拌过夜，得到pcbm溶液；

18、随后在二元混合阳离子钙钛矿薄膜上将pcbm溶液旋涂在表面，得到电子传输层。

19、进一步地，s4中，所述空穴阻挡层为bcp；所述金属电极为金属ag；所述bcp的厚度为6nm，所述金属ag的厚度为100nm。

20、本发明还公开了上述二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的应用，所述二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池作为一种高效稳定且低成本的钙钛矿电池在光电领域中的应用。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、本发明公开了一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池，在单个有机胺大分子的基础上其他的有机胺大分子作为低维钙钛矿太阳能电池的第二个大分子，形成特殊的二元混合阳离子钙钛矿薄膜，制得的低维钙钛矿薄膜的晶粒沿垂直基底的方向生长，晶粒较大、缺陷较少、可实现高效率，高稳定性的低维钙钛矿太阳能电池，得到了高开压的钙钛矿太阳能电池，在提高稳定性的同时得到了不俗的效率，十分有利于实现钙钛矿太阳能电池大规模的商业化应用。

23、进一步地，通过在钙钛矿前驱体溶液中引入适当比例的4-氟苯乙胺碘盐，即可一步法得到高质量低维钙钛矿薄膜，且所用溶剂为低毒性的有机溶剂,符合绿色化学的理念。

24、本发明还公开了上述太阳能电池的制备方法，与现有技术相比，本发明公开的制备方法采用醋酸甲胺、4-氟苯乙胺碘盐以及一步旋涂法，具有低毒性、制备工艺简单，最后在一定程度上提高了器件的稳定性。

25、本发明还公开了上述太阳能电池的应用，由于电池具有制备工艺简单的优势，在光伏领域应用时，存在制备成本低廉的优点。

技术特征：

1.一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，从上到下依次包括导电基底、空穴传输层、二元混合阳离子钙钛矿薄膜、电子传输层、空穴阻挡层和金属电极；

2.根据权利要求1所述的一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述两种有机胺大分子盐与甲胺碘盐为4-氟苯乙胺碘盐和胍基丙酸氢碘酸盐。

3.权利要求1或2所述的一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，s1中，所述两种有机胺大分子盐分别为4-氟苯乙胺碘盐和胍基丙酸氢碘酸盐；所述4-氟苯乙胺碘盐、胍基丙酸氢碘酸盐、甲胺碘盐和碘化铅的摩尔比为(0.2～0.4)：(1.6～1.8)：4：(4～6)；所述搅拌是在60℃下搅拌6～12h；所述碘化铅和醋酸甲胺溶液的用量比为(4～6)mol：(0.8～1.2)ml。

5.根据权利要求3所述的种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，s1中，所述钙钛矿溶液的浓度为300～500mg/ml。

6.根据权利要求3所述的种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，s2中，所述空穴传输材料采用旋涂的方式涂覆在导电基底上；所述旋涂的工艺参数为：在5000转下旋涂50s，随后在150℃退火30min；所述空穴传输材料为pedot：pss；所述导电基底为导电ito玻璃。

7.根据权利要求3所述的种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，s3中，涂覆钙钛矿前驱体溶液采用加热旋涂法的方法进行；在进行加热旋涂法进行涂覆时，将导电基底加热至70～90℃；所述退火处理的温度为90～100℃，时间为4～6min。

8.根据权利要求3所述的种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，s4中，所述电子传输层的材料为pcbm；

9.根据权利要求3所述的种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，s4中，所述空穴阻挡层为bcp；所述金属电极为金属ag；所述bcp的厚度为6nm，所述金属ag的厚度为100nm。

10.权利要求1或2所述的一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池的应用，其特征在于，所述二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池在光电领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池及其制备方法和应用，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。本发明公开的二元混合阳离子的钙钛矿太阳能电池在单个有机胺大分子的基础上其他的有机胺大分子作为低维钙钛矿太阳能电池的第二个大分子，形成特殊的二元混合阳离子钙钛矿薄膜，得到了高开压的钙钛矿太阳能电池，在提高稳定性的同时得到了不俗的效率，十分有利于实现钙钛矿太阳能电池大规模的商业化应用。

技术研发人员：吴忠彬,汤殷昊,王晓波,东赫,周一鹏,冉晨鑫
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15