一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用技术

一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用，本发明专利技术通过MISD这一工艺，实现了更高效率的分子掺杂，进而大大提高了薄膜的电导率和空穴迁移率，也优化了薄膜的表面电势，薄膜的HOMO能级也实现了降低。这些提升大大减少了器件的非辐射复合，降低了载流子在传输过程中的损失，最终大幅提升了器件效率(>22.3％)。由于没有LiTFSI、tBP等掺杂剂的影响，MISD的器件也展现出了优异的稳定性，在环境中存放5200h后仍可以保持90％以上的初始效率。由此体现本发明专利技术可以同时提升电池效率及稳定性，为钙钛矿的太阳能电池的商业化发展提供启发和借鉴。发和借鉴。发和借鉴。

【技术实现步骤摘要】
一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用


[0001]本专利技术涉及有机
‑
无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池制备领域，尤其涉及一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用。

技术介绍

[0002]利用太阳能电池将光能转化为电能是缓解能源危机的重要途径。目前，与市场主流的硅基太阳能电池相比，有机
‑
无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能、低成本和易于制造而成为最有前途的光伏候选材料之一。在过去的十年中，以钙钛矿为光吸收层的太阳能电池发展迅速，单节认证效率已超25％。
[0003]在钙钛矿太阳能电池中(PSCs)，通常由导电玻璃基底(ITO)、空穴传输层(HTL)、钙钛矿层、电子传输层和金属电极组成，其中空穴传输层(HTL)在PSC中起着重要作用，因为它允许从钙钛矿层中去除正电荷，这对于减少非辐射复合损失和提高电荷转移效率至关重要。目前Spiro
‑
OMeTAD是最常用的空穴传输材料(hole transporting material,HTM),但由于其分子间较弱的相互作用力，纯相Spiro
‑
OMeTAD的电导率和空穴迁移率较低，所以，化学掺杂被认为是最有效的提高薄膜电导率和空穴迁移率的方式。
[0004]目前最常用的化学掺杂剂为Li
‑
TFSI和tBP，但是Li盐具有较强的吸水性，会不可避免地吸收周围环境中的水分，从而加剧钙钛矿层和HTL的降解，进而严重影响器件的长期稳定性。此外，在器件测试过程中，由于外加偏压的影响，Li+非常容易从HTL中迁移到钙钛矿层中，Li+也容易在HTL中出现聚集。除了Li
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TFSI以外，tBP由于其较低的沸点，在钙钛矿太阳能电池器件长期储存的过程中容易挥发，在空穴传输层中形成孔洞，增大了金属电极与钙钛矿层发生反应的概率，同样严重影响了器件的长期稳定性。同时在测试过程中，钙钛矿层中的卤素离子(I
‑
,Br
‑
)等由于光照和外加偏压的影响，容易从钙钛矿层中迁移到空穴传输层中，从而形成过掺杂现象，这同样会影响HTL的电导率，从而对器件的性能造成不利影响。
[0005]在旋涂法制备HTL后，Li
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TFSI与Spiro
‑
OMeTAD发生反应，形成一定的中间相，该类氧化反应必须在空气氛围中才可以进行，最高效率需要在反应一段时间后才可以获得，这一现象影响了器件功率的稳定输出。
[0006]此外，目前基于Spiro
‑
OMeTAD制备HTL的方法通常为旋涂法，该类方法虽然比较简单，但是存在着诸多问题，比如无法进行大面积制备、对基底的选择性较高、无法对成膜厚度进行精确控制、前驱体溶液浪费率较为严重等，这些问题都制约着钙钛矿太阳能电池的商业化进程。相比于旋涂法，热蒸镀法制备HTL则可以有效避免这一类问题，热蒸镀法可以对薄膜进行大面积制备，同时对基底的选择性较低，可以在柔性基底或者粗糙度较大的基底上进行沉积成膜，而且可以对膜厚进行精准控制，对前驱体的利用率也较高。因此，热蒸镀法制备HTL在实际应用的过程中有诸多潜力。但目前热蒸镀法制备HTL仍然面临着器件效率较低的这一问题。
[0007]我们从前面的研究中发现，热蒸镀法制备无掺杂的Spiro
‑
OMeTAD HTL的效率较
低，原因是Spiro
‑
OMeTAD的螺芴呈扭曲状，影响了Spiro
‑
OMeTAD分子的堆积状态，分子堆积状态较为蓬松，分子与分子之间存在着较多的空隙，薄膜的密度较低，这大大增加了载流子的传输距离和薄膜电阻。此外，在蒸镀法制备Spiro
‑
OMeTAD HTL的器件中存在着较强的Light soaking现象，器件的起始效率较低，需要长时间的光照测试才可以达到其最高效率，这同样对器件的稳定功率输出提出了挑战。纯相Spiro
‑
OMeTAD存在的另一个问题是其分子的HOMO较高，与钙钛矿层的HOMO存在着较大的能级差，这会导致载流子在传输过程中容易发生复合。相比于Li
‑
TFSI等离子掺杂来说，分子掺杂表现出了其巨大的优势。但传统的分子掺杂仅仅在界面处，掺杂效率较低。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用，通过后处理方式来进行连续分子注入提高钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性，具体涉及在钙钛矿层制备完成后，通过热蒸镀方法制备Spiro
‑
OMeTAD薄膜和F4TCNQ层。当两层薄膜制备完成后，将制备完成的薄膜首先转移至异丙醇的溶剂氛围中，实现F4TCNQ分子的向下渗透，完成分子注入掺杂的步骤，然后将薄膜转移至氯苯的溶剂氛围中，通过氯苯的后处理过程实现对Spiro
‑
OMeTAD薄膜的压缩，改变Spiro
‑
OMeTAD分子的堆积状态，减少载流子的传输距离，提高载流子的传输效率。本专利技术提出分子注入连续掺杂(molecular implantation sequential doping,MISD)这一工艺，来提高分子掺杂的掺杂效率。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用，包括以下步骤：
[0011]1)将清洗后的ITO玻璃用紫外
‑
臭氧处理以提高润湿性；
[0012]2)将SnO2(15wt％)溶液与去离子水以体积比混合并搅拌，直接将配好的SnO2溶液旋涂在ITO基底上，并在热台上退火，以制备电子传输层，冷却至室温后，再次用紫外
‑
臭氧处理；
[0013]3)配制钙钛矿Cs
0.07
FA
0.9
MA
0.03
Pb(I
0.92
Br
0.08
)3前驱体溶液，并将配制好的钙钛矿前驱体溶液旋涂在电子传输层上并退火；
[0014]4)将步骤3)制备的样品放入蒸镀仓中，然后将Spiro
‑
OMeTAD和F4TCNQ依次热蒸发在钙钛矿薄膜上；
[0015]5)首先将步骤4)制备的样品转移至异丙醇溶剂中，实现F4TCNQ分子的向下渗透；然后再将薄膜转移至氯苯溶剂中，通过氯苯的后处理实现对Spiro
‑
OMeTAD的压缩，改变Spiro
‑
OMeTAD分子的堆积状态；
[0016]6)将步骤5)制备好的样品放入蒸镀仓中进行Ag电极的热蒸发制备。
[0017]步骤1)和步骤2)中，紫外
‑
臭氧处理的时间为5～30min，优选10～20min。
[0018]步骤2)中体积比为1:1～1:5，搅拌时间为1～30min，优选地，体积比为1:本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用，其特征在于包括以下步骤：1)将清洗后的ITO玻璃基底用紫外
‑
臭氧处理以提高润湿性；2)将SnO2溶液旋涂在ITO玻璃基底上，并在热台上退火，以制备电子传输层，冷却至室温后，再次用紫外
‑
臭氧处理；3)配制钙钛矿Cs
0.07
FA
0.9
MA
0.03
Pb(I
0.92
Br
0.08
)3前驱体溶液，并将配制好的钙钛矿前驱体溶液旋涂在电子传输层上并退火，以形成钙钛矿薄膜；4)将步骤3)制备的样品放入蒸镀仓中，然后将Spiro
‑
OMeTAD和F4TCNQ依次热蒸发在钙钛矿薄膜上；5)首先将步骤4)制备的样品转移至异丙醇溶剂中，实现F4TCNQ分子的向下渗透；然后再将样品转移至氯苯溶剂中，通过氯苯的后处理实现对Spiro
‑
OMeTAD的压缩，改变Spiro
‑
OMeTAD分子的堆积状态；6)将步骤5)制备的样品放入蒸镀仓中进行Ag电极的热蒸发制备。2.如权利要求1所述的一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用，其特征在于：步骤1)和步骤2)中，紫外
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臭氧处理的时间为5～30min。3.如权利要求1所述的一种连续分子注入的方法在钙钛矿太阳能电池的应用，其特征在于：步骤2)中，旋涂转速为1000～5000r/min，持续时间为15～50s；退火温度为50...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金宝，杨丽，杜国政，李晓锋，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：