一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池和组件

本发明涉及光伏材料，具体涉及一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池和组件。

背景技术：

1、有机-无机卤化铅钙钛矿太阳能电池具有高光吸收系数、长载流子扩散长度和可调带隙等优点，在过去的几十年里引起了全世界的关注，并获得了26.1%的认证功率转换效率（pce）。在卤化铅钙钛矿中，fapbi3钙钛矿因其优越的热稳定性和合适的带隙接近shockley-queisser确定的最佳带隙而被证明是一个很有潜力的钙钛矿活性层组分，从而制备了最高效的钙钛矿太阳能电池。然而，由于fa+离子半径大（253pm），其光活性立方相（α-fapbi3相）在室温下容易转变为无光活性的宽带隙六方相（δ-fapbi3相），使得容差因子接近上限，[pbi6]4-八面体网络容易变形，且δ-fapbi3相的室温形成焓明显低于α-fapbi3相。此外，α-fapbi3结构的畸变会增加其薄膜的残余拉伸应变，从而降低结构稳定性和载流子迁移率，改变带隙和电子态，诱导离子迁移和缺陷生成。提高α-fapbi3相钙钛矿稳定性的策略主要集中在用较小半径阳离子（ma+、cs+等）和卤素离子（cl-、br-等）分别取代fa+和i-。然而，由于带隙的增加，替代策略的器件效率偏低，并且含有ma+的钙钛矿长期热稳定较差，而基于facs的钙钛矿仍然容易发生相变，此外混合卤素离子钙钛矿薄膜制备的器件在长时间工作下会发生严重的相分离。因此，开发一种与制备相纯fapbi3钙钛矿薄膜兼容的合理策略仍然是一个重要的挑战，并迫切需要解决。

2、此外，虽然上述替代策略在一定程度上提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性和pce，但高质量的纯α相fapbi3钙钛矿薄膜必须在充满惰性气体的气氛中加工，并严格控制相对湿度（rh），这大大提升了制造工艺的复杂性和成本。在涂布过程中，水汽通过与nh2ch=nh2+（fa+）阳离子形成氢键，并且导致溶剂挥发速率的降低，严重影响α-fapbi3钙钛矿的结晶，导致最终退火的钙钛矿薄膜中出现混合相（α和δ相）fapbi3钙钛矿并产生大量针孔和缺陷。此外，大多数高性能钙钛矿太阳能电池都是基于旋涂方法，由于钙钛矿结晶机制的不同，这种方法很难转移应用到其他可扩展的印刷方法（刮涂，狭缝涂布等）。限制印刷大面积相纯fapbi3 钙钛矿太阳能电池性能的主要瓶颈是α-fapbi3相形成的高能垒和结晶过程的复杂性。此外，非均相成核的能垒对于大面积钙钛矿薄膜的印刷也是至关重要的，促进非均相成核可以提高成核密度，促进钙钛矿向优先方向生长，提高结晶度，最大限度地减少缺陷和晶界的形成，从而获得高质量、无针孔的大面积钙钛矿薄膜。

3、因此，开发一种既能降低α-fapbi3相形成和非均相成核的能量势垒，又能在潮湿气氛下精确调节fapbi3结晶过程的湿度环境下可扩展印刷策略，仍然是获得稳定、高质量的大面积相纯fapbi3钙钛矿薄膜的重要挑战，也是迫切需要解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池和组件，通过使用全氟辛基季铵碘化物分子来调节钙钛矿前驱体油墨，制备高质量钙钛矿薄膜，从而获得高效且稳定的大面积钙钛矿太阳能电池组件。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池，包括掺杂功能分子的钙钛矿层，所述功能分子为全氟辛基季铵碘化物。进一步的，太阳能电池还包括导电衬底、电子传输层、空穴传输层、阳极。

4、一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能组件，包括由导电衬底进行激光刻蚀分隔出的若干子电池及其表面的电子传输层，电子传输层上设有掺杂了全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿薄膜，钙钛矿薄膜上设有空穴传输层，空穴传输层进行激光刻蚀，作为两端电极的互连区域，空穴传输层上设有阳极，阳极进行激光刻蚀，从顶电极分隔出若干子电池，得到基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能组件。

5、本发明公开了基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池的制备方法，在导电衬底上制备电子传输层，然后在电子传输层上制备掺杂功能分子的钙钛矿薄膜，然后在钙钛矿薄膜上依次制备空穴传输层、阳极，得到基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池。优选的，所述钙钛矿薄膜厚度为400～800nm。

6、本发明中，在电子传输层上刮涂掺杂功能分子的钙钛矿前驱体溶液后热处理，得到钙钛矿薄膜。优选的，掺杂功能分子的钙钛矿前驱体溶液中，功能分子的浓度为0.005～1mg/ml，钙钛矿前驱体的浓度为0.5～2mol/l。

7、本发明中，刮涂掺杂功能分子的钙钛矿前驱体溶液时，环境湿度为0～80%。现有技术制备钙钛矿薄膜，尤其是在电子传输层上刮涂掺杂功能分子的钙钛矿前驱体溶液大都在手套箱中进行，显然很难制备大面积（比如有效面积为15.64cm2的大面积钙钛矿太阳能电池）电池，此为工业化应用瓶颈。本发明克服了现有技术偏见，在存在湿度的环境下就可以制备钙钛矿太阳能电池，尤其是可以得到高性能大面积钙钛矿太阳能电池。

8、本发明公开了全氟辛基季铵碘化物分子在制备耐湿度钙钛矿薄膜中的应用。

9、本发明公开了上述基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池或者基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能组件在制备太阳能器件中的应用。

10、本发明公开了一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池，包括：在ito导电衬底上制备电子传输层，然后在电子传输层上刮涂掺杂功能分子的钙钛矿前驱体溶液：所述功能分子为全氟辛基季铵碘化物，其具体化学结构式为：

11、。

12、所述掺杂功能分子的钙钛矿前驱体溶液经过刮刀或狭缝涂布后热处理，得到钙钛矿薄膜，然后在钙钛矿薄膜上依次制备空穴传输层、阳极，得到基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池。

13、作为上述方案的进一步优化，所述s103中得到的钙钛矿薄膜厚度为400~800nm。

14、作为上述方案的进一步优化，所述s104中的空穴传输层厚度为100~200nm。

15、本发明所述基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池制备方法，包括如下步骤：

16、s101：配制掺杂0.005-1mg/ml全氟辛基季铵碘化物分子的fapbi3钙钛矿前驱体溶液，溶剂为dmf:nmp，体积比为9:1，fapbi3的浓度为1.25mol/l；

17、s102：在清洁的1.5×1.5 cm2ito上刮涂一层sno2，作为电子传输层，采用sno2分散液，浓度为6wt%，刮涂速度为10mm/s，刮台温度为80℃，150℃退火30min；

18、s103：控制环境湿度在15±5%~75±5%，将制好的fapbi3钙钛矿前驱体溶液刮涂在sno2上，刮涂速度为4mm/s，使用风刀辅助策略干燥多余的钙钛矿溶剂，随后150℃退火10min，得到钙钛矿薄膜；

19、s104：在钙钛矿薄膜上刮涂一层spiro-ometad作为空穴传输层，溶剂为氯苯，浓度为72.3mg/ml，刮涂速度为6mm/s；

20、s105：将薄膜置于真空镀膜机中蒸镀金电极，厚度为80nm，形成基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池。

21、作为上述方案的进一步优化，所述s101中配制掺杂0.005、0.01、0.05、0.1、0.25、0.5、0.75或1mg/ml全氟辛基季铵碘化物分子的fapbi3钙钛矿前驱体溶液。

22、作为上述方案的进一步优化，所述s102中ito上刮涂sno2的厚度为20~40nm。

23、作为上述方案的进一步优化，所述s103中环境湿度控制在15±5%、35±5%，55±5%或75±5%。

24、本发明还公开了一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能组件，包括由ito导电衬底进行激光刻蚀分隔出的若干子电池和制备成的电子传输层，电子传输层上刮涂掺杂了全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿前驱体溶液，热处理，得到钙钛矿薄膜层，在钙钛矿薄膜上制备空穴传输层，进行激光刻蚀，作为两端电极的互连区域，然后制备阳极，最后进行激光刻蚀，从顶电极分隔出若干子电池，得到基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能组件。

25、本发明所述基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能组件的制备方法，包括以下制备步骤：

26、s201：配制掺杂0.1mg/ml全氟辛基季铵碘化物分子的fapbi3钙钛矿前驱体溶液，溶剂为dmf:nmp，体积比为9:1，fapbi3的浓度为1.25mol/l；

27、s202：在ito上进行激光刻蚀，分隔出八条子电池，激光器波长为1064nm，激光频率为460khz，电流为60%；

28、s203：在清洁后刻蚀的5×5 cm2ito上刮涂一层sno2，采用sno2分散液，浓度为6wt%，刮涂速度为10mm/s，刮台温度为80℃，150℃退火30min，形成电子传输层；

29、s204：控制环境湿度在15±5%，将制好的fapbi3钙钛矿前驱体溶液刮涂在sno2上，刮涂速度为4mm/s，使用风刀辅助策略干燥多余的钙钛矿溶剂，随后150℃退火10min，得到钙钛矿薄膜；

30、s205：在钙钛矿薄膜上刮涂一层spiro-ometad，溶剂为氯苯，浓度为72.3mg/ml，刮涂速度为6mm/s，形成空穴传输层；

31、s206：在spiro-ometad薄膜上进行激光刻蚀，作为子电池的互连区域，激光器波长为532nm，激光功率为0.5w，频率为400khz；

32、s207：将薄膜置于真空镀膜机中蒸镀金电极，厚度为80nm，制备出电池阳极；

33、s208：在金电极上进行激光刻蚀，分隔出八条子电池，激光器波长为532nm，激光功率为0.1w，频率为50khz，最终得到有效面积为15.64cm2的大面积钙钛矿太阳能电池组件。

34、作为上述方案的进一步优化，所述s101中配制掺杂0.005、0.01、0.05、0.1、0.25、0.5、0.75或1mg/ml全氟辛基季铵碘化物分子的fapbi3钙钛矿前驱体溶液。

35、本发明的一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池和组件，具备如下有益效果：

36、本发明的一种基于全氟辛基季铵碘化物分子的钙钛矿太阳能电池和组件，本发明通过在钙钛矿前驱体溶液中掺杂全氟辛基季铵碘化物分子，在不同湿度下均获得了高质量的纯fapbi3薄膜，基于此薄膜制备了高效且稳定的钙钛矿太阳能电池；

37、本发明选用的功能分子大幅降低钙钛矿前驱体溶液在衬底上的接触角与非均相成核能垒，并且降低了α-fapbi3相钙钛矿形成的能垒，稳定钙钛矿前驱体油墨；季铵基有助于钙钛矿膜的钝化，进一步提高膜的质量；

38、本发明制备钙钛矿薄膜的方法同样适用于制备大面积钙钛矿薄膜，薄膜质量和均一性可与小面积薄膜相媲美，从而获得高效的大面积钙钛矿太阳能电池组件。

39、本发明制备工艺简单，功能分子简单易得，没有引入额外的界面层或后处理工艺，并且制备过程可以脱离手套箱进行，大幅节约成本，适合工业化生产。

40、本发明是一种多功能调节钙钛矿成膜质量的方法，可以全方位解决大面积高湿度钙钛矿成膜时所遇到的问题。将全氟辛基季铵碘化物分子掺杂进钙钛矿前驱体溶液中，可以显著降低钙钛矿异相成核能垒，有助于形成高质量、无针孔的大面积钙钛矿薄膜；阻隔了空气中水分对钙钛矿溶液与薄膜的侵蚀，有助于在高湿度下形成高质量钙钛矿薄膜，提高钙钛矿薄膜稳定性；另外，能够与钙钛矿配位，稳定钙钛矿前驱体溶液，降低钙钛矿形成的能垒；也有助于钝化钙钛矿薄膜，进一步提高钙钛矿薄膜质量；总之，全面提高薄膜的质量。

41、参照后文的说明与附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式，应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制，在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。