一种高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池制造技术

本发明专利技术公开了一种高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池，其是将一类钝化剂引入钙钛矿晶界中作为光活性层，并通过分子结构设计使钝化剂分子之间可通过氢键和π作用自组装形成有序的柔性多孔空间结构，以钝化钙钛矿晶界缺陷，有效消除应力，并吸附铅离子。本发明专利技术制备得到的钙钛矿太阳能电池器件的光电转换提高至23%、寿命在1200小时保持性能稳定，且其遭到破坏后铅的泄漏率减少60%，对环境友好。对环境友好。对环境友好。

【技术实现步骤摘要】
一种高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池


[0001]本专利技术属于光电功能材料及器件领域，具体涉及一种高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池。

技术介绍

[0002]钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率在近十年由初始的3.8%提升至如今已超过25.5%，发展速度远超硅基太阳能电池，受到广泛的关注（硅基电池达到相当水平花了近40年），PSCs也因此成为第三代太阳能电池中最有望代替传统硅基电池的产品。目前，PSCs商业化遇到的最重要问题有两点，首先是器件稳定性问题，其次是钙钛矿中铅可能带来的有毒物泄露的问题。
[0003]采用溶液方法制备的钙钛矿多晶膜中存在许多缺陷，这些晶界或表面的缺陷会促进离子迁移，易成为水、氧、光等进攻的薄弱点，同时还作为电荷复合中心造成载流子传输受阻，使性能退化严重。为了钝化缺陷，有机铵盐、Lewis酸/碱或两性离子等钝化剂被引入钙钛矿晶界，特别是一些带有功能位点的芳香类小分子被证明能有效钝化缺陷，提高性能和稳定性。近来，人们又发现受热过程引起的薄膜应力也是造成钙钛矿薄膜不稳定的重要因素，目前的解决方法多为引入大热膨胀系数的材料作为应力缓冲层。然而芳香分子刚性较大，其狭小的伸缩空间不足以缓冲晶界处的变形。总之，目前还不能采用一种方法同时解决钙钛矿中缺陷和应力问题。
[0004]而在铅泄露问题上，除了尽可能提高钙钛矿的稳定性，提高使用寿命外，利用晶态多孔材料活性孔吸附泄露的铅离子，已被证明是一种可行的方法。受到晶态多孔材料启发，若是能使钝化剂分子在钙钛矿晶界可控排列并组装成具有一定柔性的孔结构，则有望在钝化缺陷的同时利用堆积孔结构消除应力并吸附铅离子。而目前，大多数研究只考虑到在钙钛矿材料中添加钝化剂分子，通过其活性官能团进行缺陷钝化。而未有通过适当自组装添加剂对钙钛矿晶界进行再次设计，在晶界间构筑有序多孔结构，以提高晶界及钙钛矿活性层的有序度，同时实现钝化缺陷、应力释放和铅吸附的高稳定性、环保型钙钛矿太阳能电池的制备。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供了一种高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池（PSCs），其光活性层中使用了具备晶界间自组装柔性多孔结构的钝化剂，因而可从多方面提高PSCs的性能和稳定性，并推进其环保、安全的使用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池，其从上到下依次由导电层、TiO2层、改进光活性层、空穴传输层、MoO2层、导电层构成；其中，所述改进光活性层由钙钛矿材料及有序堆积分布在钙钛矿材料晶界的钝化剂构成。
[0007]进一步地，所述钝化剂是在咔唑平面上接枝一个或多个π平面而构成的三维立体
构型分子，且其具有能形成氢键并能与钙钛矿作用的基团；所述钝化剂能够通过钝化剂分子间形成的氢键及π平面的堆积作用在钙钛矿材料晶界定向堆积，并形成稳定的具有四边形孔的空间孔结构。
[0008]更进一步地，所述π平面选自咔唑、苯、萘、三亚苯中的任意一种或多种，其取代在咔唑1、3、6、8、9号位上任意一个或多个位置；所述取代包括在两个平面间通过采用苯或碳数为1
‑
3的烷基链进行连接，以使所得钝化剂具有柔性形变框架。
[0009]更进一步地，所述能形成氢键并能与钙钛矿作用的基团包括含氮芳香环（2,4
‑
二氨基三嗪、酰胺基吡啶、吡唑和咪唑酮等）、有机酸（羧酸、磺酸、硫酸等）、氰基、硫氰基、氨基、胍、铵基、醛基中的一种或多种。
[0010]进一步地，钝化剂形成的空间孔尺寸应大于铅离子尺寸。
[0011]进一步地，所述钝化剂的分子结构中还具有氮、氧、硫中一种或多种的裸露活性位点。
[0012]进一步地，所述改进光活性层中钝化剂的含量与钙钛矿材料中所用碘化铅的质量比为1/10000 ~1/200。
[0013]进一步地，所述改进光活性层由以下三种方式获得：方法一：配制含有碘化甲脒、碘化铅、溴化铅和溴化甲铵的钙钛矿前驱体溶液，加入钝化剂搅拌均匀之后，将所得溶液旋涂在空穴传输层上，一步法添加反溶剂进行成膜之后进行退火，得到所述改进光活性层；方法二：配制含有碘化甲脒、碘化铅、溴化铅和溴化甲铵的钙钛矿前驱体溶液，将钝化剂加入反溶剂中，经一步法旋涂后退火得到所述改进光活性层；方法三：将钝化剂配成溶液，通过重结晶方法得到晶体，再将所得晶体超声、搅拌分散至碘化铅溶液或反溶剂中，按照上述方法一或方法二与含有碘化甲脒、碘化铅、溴化铅和溴化甲铵的钙钛矿前驱体溶液进行涂膜，得到所述改进光活性层。
[0014]更进一步地，配制钙钛矿前驱体溶液所用溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等中的一种或多种。
[0015]更进一步地，所述反溶剂为氯苯、乙酸乙酯或乙醚中的一种或多种。
[0016]更进一步地，为了获得更好的效果，添加钝化剂后需40~90℃加热搅拌6~20小时；所述退火的温度为100~130℃。
[0017]现有报道给出的具有咔唑结构的钝化剂，往往是利用钝化剂分子中的功能基团与钙钛矿相互作用而产生效果，并不考虑钝化剂分子之间的相互作用，同时也不考虑钝化剂分子的堆积结构对PSCs性能的影响。而本专利技术除了利用钝化剂的功能位点之外，侧重点在于对钝化剂的堆积结构进行设计，利用堆积成的孔结构提高钝化晶界缺陷，晶界有序程度，减少铅泄露，并消除薄膜应力，从而得到高性能、高稳定性、铅泄露率低的钙钛矿太阳能电池。
[0018]本专利技术的有益效果在于：本专利技术设计的钝化剂能够提高晶界的有序度，钝化钙钛矿缺陷，同时能消除钙钛矿薄膜应力，提高钙钛矿电池光电效率，还能吸附铅离子，从而可制得高性能、高稳定性、铅泄露率低的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
[0019]图1为实施例1所制备钝化剂3,3',6,6'
‑
四氰基
‑
9,9'
‑
联咔唑的结构式（a）、XRD图（b）及堆积孔结构（c）。
[0020]图2为实施例1所制备光活性层的表面SEM图。
[0021]图3为实施例1所制备光活性层的薄膜应力测试图。
[0022]图4为实施例1所制备钙钛矿太阳能电池的性能测试图。
[0023]图5为实施例1所制备钙钛矿太阳能电池的稳定性测试图。
[0024]图6为实施例2所采用的钝化剂的核磁谱（a）及堆积孔的结构图（b）。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。
[0026]实施例1（1）钝化剂的制备：使用3,3',6,6'
‑
四氰基
‑
9,9'
‑
联咔唑作为钝化剂，其制备包括如下步骤：将高锰酸钾(2.371 g，15 mmol)在50℃下加入到25毫升含3,6
‑
二溴咔唑(1.625 g, 5 mmol)的丙酮溶液中，然后在60℃下搅拌并冷凝回流5小时后，冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池，其特征在于，其从上到下依次由导电层、TiO2层、改进光活性层、空穴传输层、MoO2层、导电层构成；所述改进光活性层由钙钛矿材料及有序堆积分布在钙钛矿材料晶界的钝化剂构成。2.根据权利要求1所述的高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钝化剂是在咔唑平面上接枝一个或多个π平面而构成的三维立体构型分子，且其具有能形成氢键并能与钙钛矿作用的基团，该钝化剂通过钝化剂分子间形成的氢键及π平面的堆积作用在钙钛矿材料晶界定向堆积，形成稳定的空间孔结构。3.根据权利要求2所述的高稳定性环保型钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述π平面选自咔唑、苯、萘、三亚苯中的任意一种或多种，其取代在咔唑1、3、6、8、9号位上任意一个或多个位置。4.根据权利要求3所述的高稳定性环保型钙钛矿太阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：章锦丹，朱孟琪，张章静，唐仕成，李娜，颜容郅，叶东旭，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：