一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池及其制备方法

本发明属于太阳能光伏，涉及一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(pscs)因其具有光吸收强、带隙可调、高载流子迁移率、低成本溶液加工性以及与工业印刷制造良好的兼容性等优点，已成为最有前途的光伏技术之一。最近，单结pscs的认证功率转换效率(pce)已达到25.8％，这对商业化极具吸引力。然而，大多数报道的高效pscs都是通过实验室规模的旋涂方法制造的，该方法存在太阳能电池尺寸有限和原材料浪费严重等问题。使用可扩展的大规模制造技术开发高性能pscs，对于pscs的商业化应用非常重要。

2、刮涂法是一种可扩展且简单的制造工艺。将钙钛矿前驱体溶液滴加在刮刀与基底的缝隙中，然后刮刀行进并蒸发溶剂，即可获得钙钛矿膜。通过利用成熟的旋涂工艺的添加剂策略，以及精确控制的制造参数(如，基底温度、溶液浓度、刮刀速度)，刮涂法制备钙钛矿太阳能电池具有巨大的大规模应用潜力。

3、刮涂印刷制备的电池器件光伏性能较差主要是由于高质量钙钛矿层从实验室规模的旋涂到可扩展的印刷工艺转移面临很大的困难。在实验室大规模的旋涂过程中，滴加反溶剂对于实现钙钛矿薄膜的快速成核和完全覆盖是非常必要的。然而，在室温条件下进行可扩展的印刷制造过程中，滴加大量反溶剂并不方便。钙钛矿可扩展的印刷制造中的结晶动力学与实验室规模旋涂制造完全不同，以前的旋涂结晶控制策略不能直接用于刮涂印刷工艺制造。很少有关于fapbi3钙钛矿在从纺丝转移到印刷后如何结晶的研究。在印刷制造过程中，也缺乏控制fapbi3结晶动力学以生产高质量钙钛矿薄膜的策略。

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，提供一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池及其制备方法，以解决现有技术中缺少通过印刷制造钙钛矿的研究，以及印刷制造钙钛矿时难以控制钙钛矿薄膜质量的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，清洗fto玻璃基底；

5、步骤2，制备tio2电子传输层；

6、步骤3，制备钙钛矿前驱体溶液，钙钛矿前驱体溶液的溶质为摩尔比为0.085:0.1:0.05:1的甲脒碘化胺、甲基碘化铵、碘化铯和碘化铅，溶剂为dmso、gbl和dmf的混合溶液；所述钙钛矿前驱体溶液中加入有n-丁基-3-甲基吡啶硫氰酸盐，n-丁基-3-甲基吡啶硫氰酸盐在钙钛矿前驱体溶液中浓度为0.35-1.05mol％；

7、步骤4，在空气环境中，将钙钛矿前驱体溶液刮涂在tio2电子传输层上，刮涂速度为1000mm/min，刮涂温度107-187℃，刮涂后通过吹风机对钙钛矿前驱体溶液吹气，退火后获得钙钛矿吸收层；

8、步骤5，在空气环境下，在钙钛矿吸收层上通过刮涂法制备spiro-ometad溶液，获得空穴传输层；

9、步骤6，在空穴传输层上制备金属电极。

10、本发明的进一步改进在于：

11、优选的，步骤3中，dmso、gbl和dmf的体积比为7:7:6。

12、优选的，步骤3中，钙钛矿前驱体溶液的浓度为1.0m。

13、优选的，步骤4中，空气环境中的湿度为30-60rh％。

14、优选的，步骤4中，吹风机吹气时间为5s。

15、优选的，步骤4中，退火时间为100℃，退火时间为10min。

16、优选的，步骤5中，空穴传输层制备过程中，刮涂速度为1000mm/min。

17、优选的，步骤2中，将fto玻璃基底置于ticl4浓缩液中，在70℃的恒温烘箱中保温1h后，在fto玻璃基底上制得tio2电子传输层。

18、一种通过上述任意一项所述制备方法制得的高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池，包括从下到上依次堆叠的fto玻璃基底、tio2电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；

19、所述钙钛矿吸收层为fa0.85ma0.1cs0.05pbi3，其中有b3mepyscn。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、本发明公开了一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，该制备方法通过印刷法制备钙钛矿吸收层，利用在前驱体溶液中pbi2和b3mepyscn的相互作用，形成了新的加合物，scn-阴离子钝化了钙钛矿晶格中的碘空位，与配位不足的pb2+发生了强配位作用，使更多的电子从配体移向pb2+，使pb处于富电子环境下，延缓钙钛矿的结晶，降低了碘空位的生成，增强了前驱体到钙钛矿的转化。优化后的动力学有助于形成大晶粒致密堆积的钙钛矿薄膜，减少了空隙，钝化了缺陷，改善了载流子传输和寿命，减少了界面复合。制备过程中，严格控制该方法为钙钛矿前驱体溶液中溶质的摩尔比，使得即便直接在空气环境下进行刮涂，也能够维持形成的钙钛矿吸收层的稳定性，避免出现非光学活性的δ相削弱黑色α-fapbi3的稳定性，该方法基于离子液体添加剂策略，同时因为形成的钙钛矿吸收层的稳定性，实现了23.7％光电转化效率的印刷甲脒基钙钛矿太阳电池，处于空气印刷钙钛矿太阳能电池最高效率之列。该工作为调控印刷钙钛矿薄膜缺陷提供了一种结晶控制方案。

22、进一步的，限定溶剂的比例，溶剂中gbl的加入可以促进湿薄膜溶剂的挥发，有利于结晶。

23、进一步的，限定了制备钙钛矿吸收层时的湿度，验证发现，在该湿度下制备的钙钛矿吸收层能够高质量的结晶，同时在该湿度范围内的电池稳定性更高。

24、进一步的，通过吹风机对钙钛矿薄膜进行吹气，能够加速薄膜表面的溶剂挥发，从而提供高结晶质量。

技术特征：

1.一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤3中，dmso、gbl和dmf的体积比为7:7:6。

3.根据权利要求1所述的一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤3中，钙钛矿前驱体溶液的浓度为1.0m。

4.根据权利要求1所述的一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤4中，空气环境中的湿度为30-60rh％。

5.根据权利要求1所述的一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤4中，吹风机吹气时间为5s。

6.根据权利要求1所述的一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤4中，退火时间为100℃，退火时间为10min。

7.根据权利要求1所述的一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤5中，空穴传输层制备过程中，刮涂速度为1000mm/min。

8.根据权利要求1所述的一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，步骤2中，将fto玻璃基底置于ticl4浓缩液中，在70℃的恒温烘箱中保温1h后，在fto玻璃基底上制得tio2电子传输层。

9.一种通过权利要求1-8任意一项所述制备方法制得的高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括从下到上依次堆叠的fto玻璃基底、tio2电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极；

技术总结
本发明公开了一种高效且稳定的甲脒基钙钛矿太阳能电池及其制备方法，本方法利用在前驱体溶液中PbI<subgt;2</subgt;和B3MePySCN形成了新的加合物，延缓了刮涂过程中钙钛矿的结晶过程并降低了碘空位的生成，增强了前驱体到钙钛矿的转化。优化后的动力学有助于形成大晶粒致密堆积的钙钛矿薄膜，减少了空隙，钝化了缺陷，改善了载流子传输和寿命，减少了界面复合。基于离子液体添加剂策略，实现了23.7％光电转化效率的印刷甲脒基钙钛矿太阳电池，为处于空气印刷钙钛矿太阳能电池最高效率，该方法为调控印刷钙钛矿薄膜缺陷提供了一种结晶控制方案。

技术研发人员：赵奎,刘朋池,殷磊,刘生忠
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：2024/2/21