一种氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于新型太阳能电池技术领域。本发明专利技术太阳能电池的器件结构从下到上依次包括透明导电衬底、第一电子传输层、第二电子传输层、无机钙钛矿吸光层、氟化铵盐钝化层和碳电极。所述氟化铵盐钝化层为4

【技术实现步骤摘要】
一种氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于新型太阳能电池
，涉及一种氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]与有机
‑
无机杂化钙钛矿相比，无机CsPbX3钙钛矿因其出色的热稳定性引起了科研工作者的广泛关注。其中，CsPbI2Br在相稳定性和带隙之间取得了良好的平衡，成为最受欢迎的一种无机钙钛矿吸光层。目前，具有透明导电衬底/电子传输层/CsPbI2Br/空穴传输层/贵金属电极器件结构的无机钙钛矿太阳能电池已经实现了超过17％的光电转换效率(PCE)(Adv.Energy Mater.2022,2103933)。然而，它们的空穴传输层通常由有机材料组成，例如2,2
’
,7,7
’‑
四[N,N
‑
二(4
‑
甲氧基苯基)氨基]‑
9,9
’‑
螺二芴(Spiro
‑
OMeTAD)、聚[双(4
‑
苯基)(2,4,6
‑
三甲基苯基)胺](PTAA)、聚(3
‑
己基噻吩
‑
2,5
‑
二基)(P3HT)等。这些有机材料中易吸水和潮解的添加剂对CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的长期稳定性有负面影响。此外，贵金属电极(Au或Ag)也增加了生产成本。
[0003]鉴于工艺简单、成本低和稳定性好，不含空穴传输层和贵金属电极的碳基CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池(器件结构：透明导电衬底/电子传输层/CsPbI2Br/碳电极)表现出巨大的发展潜力。然而，碳基CsPbI2Br钙钛矿太阳能电池的PCE远低于基于金属电极/HTL的器件，这主要归因于钙钛矿表面存在各种类型的缺陷(卤素离子空位、Pb
2+
间隙、反位缺陷、晶界等)和较大的界面能级差。
[0004]钙钛矿表面钝化可解决上述缺陷问题，同时可降低CsPbI2Br和碳电极之间的界面能级差，提高钙钛矿薄膜的结晶性和疏水性，对于进一步提升碳基无机钙钛矿太阳能电池的PCE和湿度稳定性具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法，其采用氟化铵盐钝化无机钙钛矿吸光层表面，能够有效提升碳基无机钙钛矿太阳能电池的PCE和湿度稳定性。
[0006]氟化铵盐4
‑
氟苯乙基卤化铵(P
‑
F
‑
PEAX，X为I或Br)应用于钙钛矿太阳能电池具有许多优点。一方面，F
‑
PEA
+
阳离子具有许多固有特性，包括对氟苯环上正电荷的额外离域、高介电常数、减小的层间距和低激子结合能。其较大的偶极矩有利于界面处电荷的分离和传输。其苯环是疏水的，有利于提高钙钛矿太阳能电池的湿度稳定性。其氨基可以通过与Pb
2+
配位或与卤素离子形成氢键，将分子连接到Pb
‑
X框架上。更重要的是富电子的氟(F)可以与缺电子的Pb
2+
发生相互作用，从而钝化表面缺陷并抑制离子迁移。另一方面，在后退火过程中，卤素离子很容易梯度掺杂到钙钛矿薄膜中导致晶格膨胀或收缩。本专利技术通过引入一种氟化铵盐，对无机钙钛矿吸光层进行钝化处理，降低表面缺陷，优化界面能级排列，在
抑制电荷非辐射复合的同时改善无机钙钛矿吸光层的疏水性，进一步提升碳基无机钙钛矿太阳能电池的光伏性能。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池，电池器件结构从下到上依次包括透明导电衬底、第一电子传输层、第二电子传输层、无机钙钛矿吸光层、氟化铵盐钝化层和碳电极。
[0009]优选的，所述透明导电衬底为氧化铟锡(ITO)导电玻璃；第一电子传输层为SnO2；第二电子传输层为ZnO；无机钙钛矿吸光层为CsPbI2Br；氟化铵盐钝化层为4
‑
氟苯乙基卤化铵(P
‑
F
‑
PEAX，X为I或Br)。
[0010]进一步地，所述透明导电衬底厚度为2
‑
2.2mm；第一电子传输层厚度为20
‑
40nm；第二电子传输层厚度为5
‑
15nm；无机钙钛矿吸光层厚度为300
‑
400nm；氟化铵盐钝化层厚度不超过10nm；碳电极厚度为10
‑
25μm。
[0011]上述氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1：清洗ITO导电玻璃；
[0013]S2：在ITO导电玻璃上沉积SnO2第一电子传输层；
[0014]S3：在SnO2第一电子传输层上沉积ZnO第二电子传输层；
[0015]S4：在ZnO第二电子传输层上采用一步溶液旋涂法协同绿色反溶剂制备CsPbI2Br无机钙钛矿吸光层；
[0016]S5：将P
‑
F
‑
PEAX前驱体溶液旋涂在CsPbI2Br无机钙钛矿吸光层上，退火得到P
‑
F
‑
PEAX氟化铵盐钝化层；
[0017]S6：在P
‑
F
‑
PEAX氟化铵盐钝化层上刮涂碳浆，退火得到碳电极。
[0018]进一步地，所述步骤S1、S2和S3在空气环境(温度20
‑
30℃，相对湿度20
‑
30％)中完成，所述步骤S4、S5和S6在氮气环境中完成。
[0019]进一步地，所述步骤S1为：超声清洗ITO导电玻璃，氮气干燥后对其表面进行紫外臭氧处理，去除表面有机物，提高润湿性。ITO导电玻璃超声清洗和紫外臭氧处理过程如下：依次在洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇和无水乙醇中超声清洗，氮气干燥后对其表面进行紫外臭氧处理。所述的洗涤剂包括洗洁精水、肥皂水，所述超声清洗的时间优选为15
‑
30min(每个溶剂中各清洗15
‑
30min)，紫外臭氧处理的时间优选为5
‑
10min。
[0020]进一步地，所述步骤S2通过在ITO导电玻璃上旋涂SnO2前驱体分散液后退火实现。其中，所述SnO2前驱体分散液的制备优选包括如下步骤：将SnO2水胶体分散液(产品规格：15％，厂家：Alfa Aesar(阿法埃莎))和去离子水按体积比为1:3
‑
8的比例混合，在搅拌台上常温搅拌30
‑
60min，得到SnO2前驱体分散液；所述旋涂和退火的程序优选为：300
‑
500rpm旋转3
‑
5s，2000
‑
4000rpm旋转20
‑
40s，40<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述电池的器件结构从下到上依次包括透明导电衬底、第一电子传输层、第二电子传输层、无机钙钛矿吸光层、氟化铵盐钝化层和碳电极；所述的透明导电衬底为ITO导电玻璃；第一电子传输层为SnO2；第二电子传输层为ZnO；无机钙钛矿吸光层为CsPbI2Br；氟化铵盐钝化层为4
‑
氟苯乙基卤化铵。2.根据权利要求1所述的氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的4
‑
氟苯乙基卤化铵为4
‑
氟苯乙基碘化铵或4
‑
氟苯乙基溴化铵。3.根据权利要求1所述的氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述的透明导电衬底厚度为2
‑
2.2mm；第一电子传输层厚度为20
‑
40nm；第二电子传输层厚度为5
‑
15nm；无机钙钛矿吸光层厚度为300
‑
400nm；氟化铵盐钝化层厚度不超过10nm；碳电极厚度为10
‑
25μm。4.权利要求1
‑
3任一项所述的氟化铵盐钝化的碳基无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：清洗ITO导电玻璃；S2：在ITO导电玻璃上沉积SnO2第一电子传输层；S3：在SnO2第一电子传输层上沉积ZnO第二电子传输层；S4：在ZnO第二电子传输层上采用一步溶液旋涂法协同绿色反溶剂制备CsPbI2Br无机钙钛矿吸光层；S5：将4
‑
氟苯乙基卤化铵前驱体溶液旋涂在CsPbI2Br无机钙钛矿吸光层上，退火得到P
‑
F<...

【专利技术属性】
技术研发人员：台启东，张祥，张丹，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：