CN111430548A - 一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，属于光伏技术领域。该钙钛矿太阳能电池由下往上依次由基底层、空穴传输层、2‑巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3‑xClx钙钛矿吸光层、电子传输层和金属背电极层叠组成。该太阳能电池中2‑巯基咪唑层可以很好地修饰FA0.2MA0.8PbI3‑xClx钙钛矿吸光层上的缺陷，减少其上的复合中心，从而减小了非辐射复合，减少暗电流。由于非辐射复合降低，空穴的传输速率加快，使钙钛矿太阳能电池短路电流得到了提高，从而提高了转化效率。该钙钛矿太阳能电池制备方法简单易操作，可以直接在工业生产中大规模推广，在太阳能电池方面有着潜在的应用价值。

Description

一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池及其 制备方法
技术领域
本发明属于光伏技术领域，具体涉及一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池作为一种新能源，通过光伏效应将太阳能转换为可以直接利用的电能，具有安全可靠、无噪声、无污染、使用寿命长等优点，已成为各国在经济、军事装备上可持续发展战略的研究课题。现在社会主流的光伏技术采用的是硅基太阳能电池，但是制作成本高(纯度要求在99.999％)，工艺复杂(加工过程需要高温)成为制约其发展的重要因素，而第二代非晶硅等薄膜材料，由于原材料稀缺等因素，限制了其大规模的应用。为了解决这些显著问题，不断降低成本和提高光电转换效率，科学家提出了第三代太阳能电池即有机/无机杂化钙钛矿太阳能电池。近十年时间内，钙钛矿太阳能电池凭借其低成本、制作工艺简单和高光电转换效率在国际上掀起了一个研究热潮。《自然》杂志将钙钛矿太阳电池评选为2014年十大最有可能突破的研究课题之一。
近年来，界面修饰被广泛使用来钝化钙钛矿吸收层与电子、空穴传输层的界面，以减少界面复合，加快载流子的传输，并提高太阳能电池的光电转化效率。以往的研究已将PMMA、PCBM等有机材料用来钝化钙钛矿吸收层与电子、空穴传输层之间的界面，以提高钙钛矿太阳能的性能，但是这些有机分子需溶解在甲苯、氯苯等有毒溶剂中，这对环境不利，也不利于商业化。因此，利用环保型分子进行界面工程研究已迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池；目的之二在于提供一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池由下往上依次由基底层、空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层、电子传输层和金属背电极层叠组成。
优选的，所述2-巯基咪唑层按如下方法制备：以2-巯基咪唑异丙醇溶液为原料，旋涂制备厚度≤1nm的薄膜；所述2-巯基咪唑异丙醇溶液中2-巯基咪唑的浓度为1-6mg/mL。
优选的，所述2-巯基咪唑异丙醇溶液的使用量为60-80μL。
优选的，所述基底层为ITO；所述空穴传输层为PEDOT:PSS空穴传输层；所述电子传输层为PCBM电子传输层；所述金属背电极为Ag。
2、所述的一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池的制备方法，所述方法如下：
(1)对导电基底进行预处理；
(2)在经步骤(1)处理后的导电基底上旋涂制备空穴传输层；
(3)在步骤(2)中空穴传输层上旋涂制备2-巯基咪唑层；
(4)在步骤(3)中2-巯基咪唑层上旋涂制备FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层；
(5)在步骤(4)中FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层上旋涂制备电子传输层；
(6)将由基底层、空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和电子传输层层叠形成的复合层进行退火处理；
(7)在经步骤(6)处理后的复合层中的电子传输层上蒸镀金属背电极，即可。
优选的，步骤(2)中，所述旋涂制备空穴传输层的方法具体如下：将经0.25μm针头式过滤器过滤后的PEDOT:PSS溶液滴加到导电基底上，然后以4000-8000rpm的速度旋涂40-60s，最后在120-130℃下退火15-25min。
优选的，步骤(3)中，所述旋涂制备2-巯基咪唑层的方法具体如下：将由基底层和空穴传输层叠形成的复合层在50-70℃下预热1-5min后，将2-巯基咪唑异丙醇溶液滴加到空穴传输层上，然后以4000-8000rpm的速度旋涂30-40s。
优选的，步骤(4)中，所述旋涂制备FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的方法具体如下：将由基底层、空穴传输层和2-巯基咪唑层层叠形成的复合层在65-70℃下预热5-10min，然后将温度为70-75℃的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿前驱液滴加到2-巯基咪唑层上，先以800-1200rpm的速度旋涂15-20s，再以3300-3500rpm的速度旋涂35-45s，最后在95-110℃下退火20-25min，其中，在所述FA0.2MA0.8PbI3-xClx前驱液旋涂结束前10-15s时，在1-3s内滴加700-1000μL萃取液。
优选的，所述萃取液为氯苯、甲苯或苯甲醚中的一种。
优选的，步骤(5)中，所述旋涂制备电子传输层的方法具体如下：将由基底层、空穴传输层、2-巯基咪唑层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层层叠形成的复合层冷却至室温后，将PCBM氯苯溶液滴加到FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层上，然后以2000-2500rpm的速度旋涂30-40s。
优选的，步骤(6)中，所述退火处理具体为在95-110℃下退火6-10min。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池空穴传输层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层之间涂覆了一层2-巯基咪唑层，并控制该层的厚度，2-巯基咪唑分子中的N元素会和钙钛矿层的Pb-I发生相互作用，通过控制该层的厚度来控制界面处的钝化材料的多少，太少钝化效果不佳，太多则会影响钙钛矿成膜。2-巯基咪唑可以很好地修饰FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层上的缺陷，减少其上的复合中心，从而减小了非辐射复合，减少暗电流。由于非辐射复合降低，空穴的传输速率加快，使钙钛矿太阳能电池短路电流得到了提高，从而提高了转化效率。另外，在蒸镀电极前，将由基底层、空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3- xClx钙钛矿吸光层和PCBM电子传输层层叠形成的复合层进行退火处理，其实质是实现对FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的二次退火处理，因为FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层在第一次退火后由于其退火时间较短，晶体生长不足，而PCBM电子传输层覆盖到FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层上形成一层阻挡层，此时退火将减缓FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层钙钛矿晶粒的生长速度，较慢的生长速度使得FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的深能级缺陷降低，从而减少激子的复合机率。该钙钛矿太阳能电池制备方法简单易操作，可以直接在工业生产中大规模推广，在太阳能电池方面有着潜在的应用价值。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1-3中制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例1-3中制备的钙钛矿太阳能电池的截面扫描电镜图；
图3为对比实施例1步骤(2)中制备的PEDOT:PSS空穴传输层和实施例2步骤(3)中制备的2-巯基咪唑层上接触角测试结果图(图3中(a)为对比实施例1步骤(2)中制备的PEDOT:PSS空穴传输层上接触角测试结果图，图3中(b)为实施例2步骤(3)中制备的2-巯基咪唑层上接触角测试结果图)；
图4为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的SEM图(图4中(a)为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的SEM图；图4中(b)为实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的SEM图)；
图5为对比实施例1中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿电池和实施例2中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸电池的截面图(图5中(a)为对比实施例1中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿电池的截面图；图5中(b)为实施例2中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸电池的截面图)；
图6为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的AFM图(图6中(a)为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的AFM图；图6中(b)为实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的AFM图)；
图7为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的XRD图；
图8为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的吸收曲线图；
图9为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光曲线图；
图10为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光寿命图；
图11为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的暗电流曲线图；
图12为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的瞬态光电流曲线图；
图13为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的瞬态光电压曲线图；
图14为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线图；
图15为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线图；
图16为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的正反扫曲线图；
图17为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的稳态输出曲线图；
图18为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的空气稳定性曲线图；
图19为对比实施例1和实施例1至实施例3中制备的钙钛矿太阳能电池的开路电压、填充因子、短路电流、效率的统计图(图19中(a)、图19中(b)、图19中(c)、图19中(d)依次对比实施例1和实施例1至实施例3中制备的钙钛矿太阳能电池的开路电压、填充因子、短路电流、效率的统计图)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
制备兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池
(1)将15mm×15mm的ITO依次经洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇各清洗30min后用氮气枪吹干，然后UV处理30min；
(2)将经0.25μm针头式过滤器过滤后的PEDOT:PSS溶液滴加到经步骤(1)处理后的ITO上，然后以8000rpm的速度旋涂40s，最后在125℃下退火15min，制得PEDOT:PSS空穴传输层；
(3)将由ITO和PEDOT:PSS空穴传输层叠形成的复合层在50℃下预热3min后，将70μL浓度为1mg/mL的2-巯基咪唑异丙醇溶液滴加到步骤(2)中PEDOT:PSS空穴传输层上，然后以6000rpm的速度旋涂30s，制得厚度≤1nm的2-巯基咪唑层；
(4)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层和2-巯基咪唑层层叠形成的复合层在65℃下预热8min，然后将温度为70℃的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿前驱液滴加到步骤(3)中2-巯基咪唑层上，先以800rpm的速度旋涂18s，再以3300rpm的速度旋涂40s，最后在95℃下退火25min，其中，在FA0.2MA0.8PbI3-xClx前驱液旋涂结束前12s时，在2s内滴加700μL氯苯，制得FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层；
(5)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层、2-巯基咪唑层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层层叠形成的复合层冷却至室温后，将PCBM氯苯溶液滴加到步骤(4)中FA0.2MA0.8PbI3- xClx钙钛矿吸光层上，然后以2000rpm的速度旋涂35s，制得PCBM电子传输层；
(6)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和PCBM电子传输层层叠形成的复合层在110℃下退火6min；
(7)在高真空(＜2.5×10-5Pa)下，通过热蒸发在经步骤(6)处理后的复合层中的PCBM电子传输层上沉积厚度为90nm的Ag膜，即可。
实施例2
制备兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池
(1)将15mm×15mm的ITO依次经洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇各清洗30min后用氮气枪吹干，然后UV处理30min；
(2)将经0.25μm针头式过滤器过滤后的PEDOT:PSS溶液滴加到经步骤(1)处理后的ITO上，然后以6000rpm的速度旋涂60s，最后在130℃下退火25min，制得PEDOT:PSS空穴传输层；
(3)将由ITO和PEDOT:PSS空穴传输层叠形成的复合层在70℃下预热5min后，将80μL浓度为3mg/mL的2-巯基咪唑异丙醇溶液滴加到步骤(2)中PEDOT:PSS空穴传输层上，然后以8000rpm的速度旋涂40s，制得厚度≤1nm的2-巯基咪唑层；
(4)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层和2-巯基咪唑层层叠形成的复合层在70℃下预热10min，然后将温度为75℃的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿前驱液滴加到步骤(3)中2-巯基咪唑层上，先以1200rpm的速度旋涂20s，再以3500rpm的速度旋涂45s，最后在110℃下退火20min，其中，在FA0.2MA0.8PbI3-xClx前驱液旋涂结束前15s时，在3s内滴加1000μL甲苯，制得FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层；
(5)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层、2-巯基咪唑层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层层叠形成的复合层冷却至室温后，将PCBM氯苯溶液滴加到步骤(4)中FA0.2MA0.8PbI3- xClx钙钛矿吸光层上，然后以2500rpm的速度旋涂40s，制得PCBM电子传输层；
(6)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和PCBM电子传输层层叠形成的复合层在100℃下退火10min；
(7)在高真空(＜2.5×10-5Pa)下，通过热蒸发在经步骤(6)处理后的复合层中的PCBM电子传输层上沉积厚度为90nm的Ag膜，即可。
实施例3
制备兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池
(1)将15mm×15mm的ITO依次经洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇各清洗30min后用氮气枪吹干，然后UV处理30min；
(2)将经0.25μm针头式过滤器过滤后的PEDOT:PSS溶液滴加到经步骤(1)处理后的ITO上，然后以4000rpm的速度旋涂50s，最后在120℃下退火20min，制得PEDOT:PSS空穴传输层；
(3)将由ITO和PEDOT:PSS空穴传输层叠形成的复合层在60℃下预热4min后，将60μL浓度为6mg/mL的2-巯基咪唑异丙醇溶液滴加到步骤(2)中PEDOT:PSS空穴传输层上，然后以4000rpm的速度旋涂35s，制得厚度≤1nm的2-巯基咪唑层；
(4)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层和2-巯基咪唑层层叠形成的复合层在70℃下预热5min，然后将温度为75℃的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿前驱液滴加到步骤(3)中2-巯基咪唑层上，先以1000rpm的速度旋涂15s，再以3400rpm的速度旋涂35s，最后在100℃下退火20min，其中，在FA0.2MA0.8PbI3-xClx前驱液旋涂结束前10s时，在3s内滴加850μL苯甲醚，制得FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层；
(5)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层、2-巯基咪唑层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层层叠形成的复合层冷却至室温后，将PCBM氯苯溶液滴加到步骤(4)中FA0.2MA0.8PbI3- xClx钙钛矿吸光层上，然后以2300rpm的速度旋涂30s，制得PCBM电子传输层；
(6)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和PCBM电子传输层层叠形成的复合层在95℃下退火8min；
(7)在高真空(＜2.5×10-5Pa)下，通过热蒸发在经步骤(6)处理后的复合层中的PCBM电子传输层上沉积厚度为90nm的Ag膜，即可。
对比实施例1
与实施例2的区别在于未制备2-巯基咪唑层，具体步骤如下：
(1)将15mm×15mm的ITO依次经洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇各清洗30min后用氮气枪吹干，然后UV处理30min；
(2)将经0.25μm针头式过滤器过滤后的PEDOT:PSS溶液滴加到经步骤(1)处理后的ITO上，然后以6000rpm的速度旋涂60s，最后在130℃下退火25min，制得PEDOT:PSS空穴传输层；
(3)将由ITO和PEDOT:PSS空穴传输层层叠形成的复合层在70℃下预热10min，然后将温度为75℃的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿前驱液滴加到步骤(2)中PEDOT:PSS空穴传输层上，先以1200rpm的速度旋涂20s，再以3500rpm的速度旋涂45s，最后在110℃下退火20min，其中，在FA0.2MA0.8PbI3-xClx前驱液旋涂结束前15s时，在3s内滴加1000μL甲苯，制得FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层；
(4)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层层叠形成的复合层冷却至室温后，将PCBM氯苯溶液滴加到步骤(3)中FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层上，然后以2500rpm的速度旋涂40s，制得PCBM电子传输层；
(5)将由ITO、PEDOT:PSS空穴传输层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和PCBM电子传输层层叠形成的复合层在100℃下退火10min；
(6)在高真空(＜2.5×10-5Pa)下，通过热蒸发在经步骤(5)处理后的复合层中的PCBM电子传输层上沉积厚度为90nm的Ag膜，即可。
图1为实施例1-3中制备的钙钛矿太阳能电池的结构示意图。
图2为实施例1-3中制备的钙钛矿太阳能电池的截面扫描电镜图，由图2可知，实施例1-3中制备的钙钛矿太阳能电池由下往上依次由ITO透明导电基底层、PEDOT:PSS空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层、PCBM电子传输层、和Ag电极层叠组成。
图3中(a)为对比实施例1步骤(2)中制备的PEDOT:PSS空穴传输层上接触角测试结果图，图3中(b)为实施例2步骤(3)中制备的2-巯基咪唑层上接触角测试结果图，由图3可知，2-巯基咪唑层的接触角略大于PEDOT:PSS空穴传输层的接触角，但接触角增大幅度不大，将不会影响后期FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的制备。
图4中(a)为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的SEM图；图4中(b)为实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的SEM图。由图4可知，对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层中晶粒较实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层中晶粒稍小些，表明2-巯基咪唑能够促进结晶，但由于晶粒变化不是很大，所以晶粒尺寸不是提高短路电流的主要原因。
图5中(a)为对比实施例1中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿电池的截面图；图5中(b)为实施例2中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸电池的截面图，由图5可知，实施例2中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸电池中PEDOT:PSS层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸收层界面有更好的界面质量，且FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸收层中的晶粒更大。
图6中(a)为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的AFM图；图6中(b)为实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的AFM图。由图6可知，虽然实施例2中旋涂2-巯基咪唑层后制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的粗超度较对比实施例1中没有旋涂2-巯基咪唑层后制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的粗超度略大，但是粗超度增大幅度并不大，将不会影响后期PCBM电子传输层的旋涂质量。
图7为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的XRD图，由图7可知，实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的XRD中特征峰最高，即表明在2-巯基咪唑层上制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的结晶度最好，而越好的结晶度表明制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的质量越好。
图8为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的吸收曲线图，由图8可知，两种FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的吸收曲线虽没有明显的变化，但实施例2中由于有2-巯基咪唑层，其FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的吸收曲线会稍微大一些。
图9为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光曲线图，由图9可知，实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光强度较对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光强度小，即在旋涂2-巯基咪唑层上制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光强度比直接在PEDOT:PSS空穴传输层上制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光强度小，说明在2-巯基咪唑层上制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的在光照下生成的载流子(电子-空穴对)被快速转移走，即2-巯基咪唑层能够提高空穴的传输速率，加快空穴从吸光层转移到空穴传输层。
图10为对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光寿命图，由图10可知，实施例2步骤(4)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光寿命较对比实施例1步骤(3)中制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光寿命短，即在旋涂2-巯基咪唑层上制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光寿命比直接在PEDOT:PSS空穴传输层上制备的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的荧光寿命短，荧光寿命越短，说明载流子的寿命越长，即载流子的扩散长度越长，而载流子的扩散长度越长，表明载流子更加容易从吸光层转移到空穴传输层。
图11为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的暗电流曲线图，由图11可知，实施例2中制备的钙钛矿电池的漏电流较对比实施例1中制备的钙钛矿电池的漏电流小一个数量级，这表明具有2-巯基咪唑层的钙钛矿电池在PEDOT:PSS空穴传输层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿层界面的缺陷更少，从而减少短路电流的损失。
图12为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的瞬态光电流曲线图，由图12可知，实施例2中制备的钙钛矿电池的瞬态光电流较对比实施例1中制备的钙钛矿电池的瞬态光电流小。这表明具有2-巯基咪唑层的钙钛矿太阳能电池具有更高的效率电荷转移和提取过程。
图13为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的瞬态光电压曲线图，由图13可知，实施例2中制备的钙钛矿电池的电荷复合寿命(52.6μs)高于对比实施例1中制备的钙钛矿电池的(36.3μs)，这表明2-巯基咪唑层能够有效抑制电荷复合，这与以2-巯基咪唑层修饰后PEDOT:PSS空穴传输层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿层界面的密度降低是一致的。
图14为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的I-V曲线图，由该图所得的数据见表1。
表1
Voc(V) Jsc(mA/cm<sup>2</sup>) FF(％) PCE(％)
对比实施例1 1.06 21.28 80.66 18.22
实施例2 1.08 23.45 80.91 20.68
由表1可知，实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的短路电流较对比实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池的短路电流高，即含有2-巯基咪唑层的钙钛矿太阳能电池的短路电流较不含有2-巯基咪唑层的钙钛矿太阳能电池的短路电流高。这表明2-巯基咪唑能够被使用作为钝化剂钝化PEDOT:PSS空穴传输层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿层的界面，减少非辐射复合和界面电阻。
图15为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线图，由图15可知，实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线较对比实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线高，即含有2-巯基咪唑层的钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线较不含有2-巯基咪唑层的钙钛矿太阳能电池的IPCE曲线高，表明2-巯基咪唑层钝化了界面缺陷，加快了空穴从FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿到空穴传输层的传输，提高了短路电流。
图16为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的正反扫曲线图，由图16可知，实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池较对比实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池呈现更少的迟滞。
图17为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的稳态输出曲线图，由图17可知，实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池较对比实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池呈现更高及更加稳定的稳态输出。
图18为对比实施例1和实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池的空气稳定性曲线图，由图18可知，实施例2中制备的钙钛矿太阳能电池较对比实施例1中制备的钙钛矿太阳能电池呈现更加稳定的空气稳定性。
图19中(a)、图19中(b)、图19中(c)、图19中(d)依次对比实施例1和实施例1至实施例3中制备的钙钛矿太阳能电池的开路电压、填充因子、短路电流、效率的统计图，由图19可知，当2-巯基咪唑的浓度为3mg/mL时，对应的钙钛矿太阳能电池的短路电流、开路电压均有提升，从而导致整体效率的提升。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池由下往上依次由基底层、空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层、电子传输层和金属背电极层叠组成。
2.如权利要求1所述的一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述2-巯基咪唑层按如下方法制备：以2-巯基咪唑异丙醇溶液为原料，旋涂制备厚度≤1nm的薄膜；所述2-巯基咪唑异丙醇溶液中2-巯基咪唑的浓度为1-6mg/mL。
3.如权利要求1-2任一项所述的一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述基底层为ITO；所述空穴传输层为PEDOT:PSS空穴传输层；所述电子传输层为PCBM电子传输层；所述金属背电极为Ag。
4.权利要求1-3任一项所述的一种兼具高短路电流和高转化效率的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法如下：
(1)对导电基底进行预处理；
(2)在经步骤(1)处理后的导电基底上旋涂制备空穴传输层；
(3)在步骤(2)中空穴传输层上旋涂制备2-巯基咪唑层；
(4)在步骤(3)中2-巯基咪唑层上旋涂制备FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层；
(5)在步骤(4)中FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层上旋涂制备电子传输层；
(6)将由基底层、空穴传输层、2-巯基咪唑层、FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层和电子传输层层叠形成的复合层进行退火处理；
(7)在经步骤(6)处理后的复合层中的电子传输层上蒸镀金属背电极，即可。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述旋涂制备空穴传输层的方法具体如下：将经0.25μm针头式过滤器过滤后的PEDOT:PSS溶液滴加到导电基底上，然后以4000-8000rpm的速度旋涂40-60s，最后在120-130℃下退火15-25min。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述旋涂制备2-巯基咪唑层的方法具体如下：将由基底层和空穴传输层叠形成的复合层在50-70℃下预热1-5min后，将2-巯基咪唑异丙醇溶液滴加到空穴传输层上，然后以4000-8000rpm的速度旋涂30-40s。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述旋涂制备FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层的方法具体如下：将由基底层、空穴传输层和2-巯基咪唑层层叠形成的复合层在65-70℃下预热5-10min，然后将温度为70-75℃的FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿前驱液滴加到2-巯基咪唑层上，先以800-1200rpm的速度旋涂15-20s，再以3300-3500rpm的速度旋涂35-45s，最后在95-110℃下退火20-25min，其中，在所述FA0.2MA0.8PbI3-xClx前驱液旋涂结束前10-15s时，在1-3s内滴加700-1000μL萃取液。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述萃取液为氯苯、甲苯或苯甲醚中的一种。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(5)中，所述旋涂制备电子传输层的方法具体如下：将由基底层、空穴传输层、2-巯基咪唑层和FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层层叠形成的复合层冷却至室温后，将PCBM氯苯溶液滴加到FA0.2MA0.8PbI3-xClx钙钛矿吸光层上，然后以2000-2500rpm的速度旋涂30-40s。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(6)中，所述退火处理具体为在95-110℃下退火6-10min。
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