CN106410038B - 萘四甲酸二酐衍生物在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及萘四甲酸二酐衍生物用于倒置钙钛矿太阳能电池中电子传输层/阴极的界面修饰方面的应用。萘四甲酸二酐衍生物的化合物结构如下所示：
Figure DSA0000135785380000011
式中R1、R2可以相同或者不相同，独立选自C1‑C20的长烷基链，X为Cl、Br或I等，n＝0‑16。倒置钙钛矿太阳能电池的器件结构为：ITO/空穴传输层/钙钛矿层/电子传输层/阴极。将萘四甲酸二酐衍生物用于钙钛矿太阳能电池中的电子传输层/阴极的界面上，首先，可调节电子传输层的形貌，减少膜中的缺陷密度，提高电子传输层的质量；其次，引入萘四甲酸二酐衍生物界面修饰层，可以有效地加速电子从电子传输层向阴极的传输，从而有利于器件效率的提高。此外，由于萘四甲酸二酐衍生物的溶解性较好，可通过溶液旋涂法将其引入到钙钛矿太阳能电池中，操作非常简单，可重复性好。

Description

萘四甲酸二酐衍生物在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用
技术领域
本发明涉及萘四甲酸二酐衍生物化合物的应用。具体地是涉及萘四甲酸二酐的化合物作为界面修饰材料在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用。
背景技术
在过去七年中，基于卤化铅钙钛矿(例如，CH3NH3PbI3)的光捕获层的钙钛矿太阳能电池(PSC)取得了学术界广泛的关注，这主要是由于它们具有低成本的前体，宽的光吸收，长激子扩散长度，溶液加工性和高机械柔韧性等优点。最近，科学家们在提高PSC性能方面取得了巨大突破，光电转换效率(PCE)超过20％。
钙钛矿半导体可以用于几种类型的太阳能电池结构，包括钙钛矿敏化太阳能电池，中超结构太阳能电池和p-i-n型平面异质结(PHJ)太阳能电池。后者被认为具有最有希望的商业化，因为它们相对简单的器件结构和使用大面积涂覆工艺在低温下制造的潜力。目前，PHJ钙钛矿太阳能的PCE已高达18％。尽管PHJ钙钛矿太阳能电池的性能仍然低于基于其他结构的性能，但仍有进一步提高PHJ钙钛矿太阳能电池的性能的空间。
目前许多报告已经解决了产生界面偶极子并改变导体的WF(通用界面)的界面材料的使用。在PC61BM和高WF阴极之间插入额外的阴极缓冲层(CBL)已经被认为是使PHJ钙钛矿太阳能电池的性能最大化的必要途径。本发明主要是通过对倒置的钙钛矿器件中的电子传输层/钙钛矿层的界面进行修饰，修饰材料为萘四甲酸二酐衍生物。将萘四甲酸二酐衍生物用于钙钛矿太阳能电池中的电子传输层/阴极的界面上，首先，可调节电子传输层的形貌，减少膜中的缺陷密度，提高电子传输层的质量；其次，引入萘四甲酸二酐衍生物界面修饰层，可以有效地加速电子从电子传输层向阴极的传输，从而有利于器件效率的提高。此外，由于萘四甲酸二酐衍生物的溶解性较好，可通过溶液旋涂法将其引入到钙钛矿太阳能电池中，操作非常简单，可重复性好。
发明内容
发明目的
本专利的目的在于提供萘四甲酸二酐衍生物的化合物
Figure BSA0000135785400000011
式中R1、R2可以相同或者不相同，独立选自C1-C20的长烷基链，X为Cl、Br或I等，n＝0-16。用于倒置钙钛矿太阳能电池中电子传输层/阴极的界面修饰方面的应用。
发明具体内容
1.本发明涉及萘四甲酸二酐衍生物用于倒置钙钛矿太阳能电池中电子传输层/阴极的界面修饰方面的应用。萘四甲酸二酐衍生物的化合物结构如下所示：
Figure BSA0000135785400000021
式中R1、R2可以相同或者不相同，独立选自C1-C20的长烷基链，X为Cl、Br或I等，n＝0-16。
2.萘四甲酸二酐衍生物在电子传输层界面修饰的制备方法。
3.基于萘四甲酸二酐衍生物修饰的电子传输层/钙钛矿层的太阳能电池的制备。
附图说明
图1：基于萘四甲酸二酐衍生物修饰的钙钛矿太阳能电池的器件结构示意图（NiOx代表氧化镍，Perovskite代表钙钛矿，PCBM代表一种富勒烯衍生物，Interface layer代表界面修饰层，Ag代表银)
图2：基于N，N’-双(1-正己基吡啶-1-鎓-4-基甲基)萘-1，8，4，5-双(二甲酰亚胺)二溴化物修饰的太阳能电池的光电流密度-电压曲线图(current density代表电流密度，voltage代表电压)。
具体实施方式
实施案例1
将N，N′-双(1-正己基吡啶-1-鎓-4-基甲基)萘-1，8，4，5-双(二甲酰亚胺)二溴化物用作钙钛矿太阳能电池中PCBM/Ag的界面修饰层，其分子结构式如下：
Figure BSA0000135785400000022
步骤一：ITO基片清洗
使用锌粉和稀盐酸的混合液将1.5cm x 1.5cm的ITO基片刻蚀，再将刻蚀后的ITO分别在去离子水、丙酮以及异丙醇中各超声清洗15分钟，最后用氮气吹干并在UV-臭氧中照射15分钟。
步骤二：器件制备
(1)加修饰层器件ITO/NiOx/Perovskite Layer/PCBM/Interface layer/Ag的制备：
先将(FAI：PbI2)0.1(CsI：PbI2)0.1(MAI：PbI2)0.65(MAI：PbCl2)0.15溶入GBL∶DMSO＝7∶3(V/V)的溶剂中，搅拌3小时备用；再将钙钛矿前躯体溶液滴入ITO/NiOx薄膜中，1000r/min旋转20s，4000r/min旋转30s，在旋转4000r/min 20s时滴入500ul的甲苯溶剂到钙钛矿前躯体薄膜中；然后将ITO/NiOx/Perovskite薄膜100度加热10min后，取溶入氯仿的PC61BM，10mg/ml溶液滴入钙钛矿薄膜上旋转成膜；接下来将N，N′-双(1-正己基吡啶-1-鎓-4-基甲基)萘-1，8，4，5-双(二甲酰亚胺)二溴化物溶入甲醇中，滴入PC61BM上旋涂成膜，制备成界面层；最后蒸镀银电极制备成器件。
(2)不加修饰层器件ITO/NiOx/Perovskite Layer/PCBM/Ag的制备：
使用同样的制备工艺，不同之处在于没有N，N′-双(1-正己基吡啶-1-鎓-4-基甲基)萘-1，8，4，5-双(二甲酰亚胺)二溴化物修饰层。
步骤三：电池性能测试
使用Keithley2400对器件进行性能测试：在模拟的AM 1.5G的太阳光照射条件下(光强度为100mW/cm2)可获得光电流-电压曲线，扫描电压范围是反向扫描1.2V→-1.2V，正向扫描-1.2V→1.2V，扫描速率50mV/S。
在PCBM/Ag的界面引入N，N′-双(1-正己基吡啶-1-鎓-4-基甲基)萘-1，8，4，5-双(二甲酰亚胺)二溴化物，N，N′-双(1-正己基吡啶-1-鎓-4-基甲基)萘-1，8，4，5-双(二甲酰亚胺)二溴化物的最高占据轨道(HOMO)与最低未占据轨道(LUMO)能级与银电极相匹配，可以有效地加速电子从电子传输层向银电极的注入与传输，最终经过修饰后的器件的效率由原来的9.51％提高到了17.27％。得到不同浓度的电池性能如下表(Voc代表开路电压，Jsc代表短路电流密度，FF代表填充因子，PCE代表光电转换效率)：
Figure BSA0000135785400000031
总结以上结果表明，经过N，N′-双(1-正己基吡啶-1-鎓-4-基甲基)萘-1，8，4，5-双(二甲酰亚胺)二溴化物修饰过的钙钛矿太阳能电池的器件性能有着明显提高，且制备界面层的方法简单以及可重复性好。
以上对本发明实施例所提供的萘四甲酸二酐衍生物在钙钛矿太阳能电池中的电子传输层界面修饰进行了详细介绍，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.萘四甲酸二酐衍生物的化合物结构：
Figure FSB0000183472980000011
2.如权利要求1中化合物结构所示，其特征是制备倒置钙钛矿太阳能电池中电子传输层/阴极的界面修饰方面。
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