CN111710781B - 一种钙钛矿光伏电池及其制备方法 - Google Patents

一种钙钛矿光伏电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高性能钙钛矿电池及其制备方法，所述钙钛矿太阳能电池以以溶液法制备得到的Fe2‑xMgxO3薄膜作为界面钝化层钝化钙钛矿光伏电池钙钛矿光敏层相邻界面，其中0≤x≤0.2，厚度30～40nm。本发明的钙钛矿光伏电池以Fe2‑xMgxO3为界面钝化层，大幅降低钙钛矿电池制备成本，利用铁和碘、氧和铅的相互作用提高钙钛矿薄膜结晶质量，同时，Fe2‑xMgxO3薄膜可以使得载流子快速迁移，降低界面处的电荷积累；适量的镁元素也可以与周围的离子形成强的化学键，稳定钙钛矿相邻界面的结构，减少界面缺陷、降低非辐射复合，达到提高器件性能的目的。

Description

一种钙钛矿光伏电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种以溶液法制备的Fe2-xMgxO3薄膜钝化钙钛矿光敏活性层相邻界面的钙钛矿光伏电池及其制备方法。
背景技术
太阳能作为一种绿色环保可再生清洁能源，在取代化石燃料等一次能源过程中扮演着重要角色。在众多太阳能电池中，钙钛矿光伏电池在十年间，其最高效率从3.81％飞速跃升至目前最高可达25.2％，与铟镓联硒化物电池、碲化镉电池和多晶硅电池等电池效率相当。这归功于有机无机杂化钙钛矿材料具有较低的激子束缚能、较强的光吸收能力和较高的载流子迁移力等优点。虽然钙钛矿电池的最高效率高于商业化的铟镓联硒化物电池和碲化镉电池，但在其进入商业化市场前，仍然面临一些挑战，如稳定性不足等，尤其是在紫外光照条件下。
传统的平面钙钛矿光伏电池“三明治”结构，通常以TiO2、ZnO或SnO2等氧化物材料为电子传输层。TiO2电子迁移率低、需要高温烧结，在紫外光照下，TiO2表面吸附氧会解吸附，产生较高的的催化活性，使钙钛矿光伏电池遭受退化(Q.Luoet al.,Adv.Funct.Mater.2017,1702090)。ZnO对弱酸和弱碱相当敏感，极易与光敏层发生反应产生退化，不适合做钙钛矿电池的电子传输层材料。最近研究发现SnO2的电子迁移率高、抗反射好，具有低的化学活性和催化活性、较低的烧结温度和较宽的带隙(W.Ke et al.,J.Am.Chem.Soc.2015,137:6730；J.P.Correa Baena et al.,Energ.Environ.Sci.2015,8:2928；Z.Zhu et al.,Adv.Mater.2016,28:6478)，是一个极佳的电子传输层材料。但是研究过程中，发现用溶液法、水热合成法合成的SnO2薄膜，其性能受空气中温度的影响比较大；溅射法和原子层沉积法制备的SnO2薄膜，成本较高；尽管SnO2量子点应用于钙钛矿电池的电子传输层相应电池效率高且比较稳定(G.Fang et al.,Adv.Mater.2018,30:1706023)，但最新研究发现，SnO2量子点薄膜中存在Sn、Sn2+(Cl)、Sn4+和Sn2+四种价态(P.Qin et al.,Sol.RRL 2019,1900134)，这表明SnO2量子点薄膜200℃的退火温度不够。如果提高退火温度，难以充分发挥其n型导电功能(L.Xiong et al.,Adv.Funct.Mater.2018,28:1706276)，并且造成成本上升。因此很多学者利用界面修饰工程对SnO2电子传输层/钙钛矿光敏层间界面进行调控，如：有机分子(富勒烯及其衍生物,Z.Zhu et al.,Adv.Mater.2016,28:6478；X.Liu et al.,Adv.Energy Mater.2018,8:1800138)常常用于钝化这一界面。或者在衬底与SnO2电子传输层间插入氧化物，如：TiO2(G.Liaoet al.,J.Mater.Chem.A,2018,6:7409-7419)、In2O3(X.Zhang et al.,Adv.Mater.2020,1905766)等，改善SnO2电子传输层成膜质量，降低界面处的电荷积累，稳定钙钛矿相邻界面的结构，减少界面缺陷、降低非辐射复合，达到提高器件性能的目的。尽管如此，现有钝化层材料如有机小分子，聚合物，石墨烯量子点，核壳结构材料，碳纳米管等，价格昂贵，增加电池制备成本。
氧化铁(α-Fe2O3)是一种n型半导体材料，热力学稳定性极高。由于其导带能级相对于TiO2低ca.0.3eV，有望成为电子传输层材料而引起了人们特别关注。作为稳定的n型半导体，由于较高的电子和空穴复合率、较低的空穴扩散长度，α-Fe2O3有较低的催化活性，2.3eV带隙宽度会导致部分低于600nm可见光吸收。作为窗口材料，如果太薄，较高透射率会引起电子收集不力，太厚又限制光的透射率，为了解决这一问题，黄劲松课题组在致密的α-Fe2O3底层上原位生长离散的α-Fe2O3纳米岛，在提高了器件的光透过率和电子提取速率以及光电转换效率的同时还降低了光电流的滞后效应(Adv.Funct.Mater.2017,1702090)。王宁课题组将n型针铁矿(FeOOH)量子点(QD)引入钙钛矿光吸收层发现FeOOH中的铁、氧和羟基可以分别与碘、铅和甲胺相互作用，通过延缓结晶动力学工程得到大晶粒尺寸的高质量钙钛矿薄膜，最终显著提高器件的长期稳定性和光电转换效率(Small.2019,1904372)，这些方案仍不能解决铁离子迁移导致的电池稳定性退化的问题。
本申请利用溶液法制备一种稳定的无腐蚀性的红色Fe2-xMgxO3粉末，将其在甲醇或者氯苯溶液中进行超声分散，然后在钙钛矿光敏层的相邻界面制备成Fe2-xMgxO3薄膜，钝化相关界面。利用Fe2-xMgxO3薄膜中铁和碘、氧和铅的相互作用提高钙钛矿薄膜结晶质量，同时，Fe2-xMgxO3薄膜可以使得载流子快速迁移，降低界面处的电荷积累；适量的镁元素也可以与周围的离子形成强的化学键，减少铁离子的迁移，稳定钙钛矿相邻界面的结构，减少界面缺陷、降低非辐射复合，达到提高器件性能的目的，并且大幅降低钙钛矿太阳能电池的制备成本。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种低成本、高性能的钙钛矿电池，以稳定的n型半导体材料Fe2-xMgxO3插入钙钛矿光敏层的相邻界面(介于电子传输层/钙钛矿光敏活性层或空穴传输层/钙钛矿光敏活性层)，钝化界面缺陷，在提高电池的开路电压、短路电流、转换效率、填充因子的同时，大幅降低电池的制备成本，商业化应用前景良好。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种高性能钙钛矿电池，所述钙钛矿太阳能电池的结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、界面钝化层、钙钛矿光敏活性层、空穴传输层以及金属电极；或者
所述钙钛矿太阳能电池从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层以及金属电极；
所述界面钝化层为n型Fe2-xMgxO3薄膜材料，其中0≤x≤0.2，厚度30～40nm。按上述方案，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃、FTO导电玻璃或镀有ITO的柔性透明塑料。
按上述方案，所述电子传输层为SnO2薄膜，为水溶液法制备的SnO2薄膜或SnO2量子点(QD)薄膜。
按上述方案，水溶液法制备的SnO2薄膜的制备方法为：将SnO2水分散液用超纯水进行稀释并且彻夜搅拌进行混合，采用旋涂法将其涂在导电衬底上，在空气中退火得到。
按上述方案，所述SnO2量子点(QD)薄膜的制备方法为：将SnCl2·2H2O和硫脲溶于去离子水中，室温下搅拌1-2天，得到澄清黄色溶液，其旋涂在导电衬底上，在空气中退火得到。
按上述方案，所述钙钛矿光敏活性层为CH3NH3PbI3材料或(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12(Cs＝cesium，MA＝CH3NH3，FA＝HC(NH2)2)三元混合钙钛矿材料。
按上述方案，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene)。
按上述方案，所述金属电极为Au电极或Ag电极或Cu电极。
按上述方案，所述Fe2-xMgxO3薄膜材料的制备方法为：
a)合成Fe2-xMgxO3纳米颗粒：将FeCl3 .6H2O和MgCl2按化学计量比溶于去离子水中，搅拌溶解后，加入氨水，再搅拌充分后转入高压反应釜进行水热反应，反应结束后分离出固体产品，经清洗、干燥得到粉末材料，将粉末材料退火处理得到Fe2-xMgxO3纳米颗粒；
b)采用溶液法制备Fe2-xMgxO3薄膜：将步骤a)所制备的Fe2-xMgxO3纳米颗粒超声分散于甲醇或氯苯中，得到浓度为0.1～1.0mg/mL的混合液，在空气或惰性气体环境下将所得混合液采用直接旋涂法或反溶剂法制备成Fe2-xMgxO3薄膜。该Fe2-xMgxO3薄膜作为钝化层钝化电子传输层/钙钛矿光敏活性层或空穴传输层/钙钛矿光敏活性层间界面。
按上述方案，步骤a)所述水热反应条件为：水热反应温度为200℃，水热反应时间为5h。
按上述方案，步骤a)所述退火处理工艺条件为：300℃下退火3h。
第二方面，本发明提供上述高性能钙钛矿电池的制备方法，包括如下步骤：
1)在透明导电衬底上制备电子传输层，然后放入紫外臭氧清洗仪中紫外臭氧处理；
2)在电子传输层上制备Fe2-xMgxO3薄膜作为界面钝化层；
3)在惰性气体保护下，在Fe2-xMgxO3薄膜表面制备钙钛矿光敏活性层；
4)用旋涂的方法在钙钛矿光敏活性层表面制备空穴传输层；
5)最后在空穴传输层表面蒸镀金属电极，得到平面结构高性能钙钛矿电池；或者
1)在透明导电衬底上制备电子传输层，然后放入紫外臭氧清洗仪中紫外臭氧处理；
2)在惰性气体保护下，在电子传输层上表面上制备钙钛矿光敏活性层；
3)在钙钛矿光敏活性层上制备Fe2-xMgxO3薄膜作为界面钝化层；
4)用旋涂的方法在Fe2-xMgxO3薄膜表面制备空穴传输层；
5)最后在空穴传输层表面蒸镀金属电极，得到平面结构高性能钙钛矿电池。
本发明以Fe2-xMgxO3薄膜钝化钙钛矿光伏电池钙钛矿光敏层相邻界面。Fe资源丰富，三价的铁价态稳定，无腐蚀，无毒，降低了界面钝化层成本，掺杂适量的镁能够调整带隙宽度，减少吸光。
本发明的有益效果：本发明提高的钙钛矿光伏电池以溶液法制备得到的Fe2-xMgxO3(0≤x≤0.2)为界面钝化层，钝化钙钛矿光敏层相邻界面，大幅降低钙钛矿电池制备成本，利用铁和碘、氧和铅的相互作用提高钙钛矿薄膜结晶质量，同时，Fe2-xMgxO3薄膜可以使得载流子快速迁移，降低界面处的电荷积累；适量的镁元素也可以与周围的离子形成强的化学键，稳定钙钛矿相邻界面的结构，减少界面缺陷、降低非辐射复合，达到提高器件性能的目的(本发明的钙钛矿光伏电池开路电压为1.021～1.107V，电池的短路电流为19.72～22.60mA/cm2，填充因子为52.5～78.2％，能量转换效率为10.56～19.56％)。与有机分子(富勒烯及其衍生物)薄膜作为钝化层相比，本发明采用溶液法制备Fe2-xMgxO3薄膜，步骤简单，成本降低约70％、环境友好、透射率高，并且更加稳定，是一个理想的电子界面工程材料，可以大大降低电池的制备成本，有利于将电池向大面积化、柔性化方向的商业推进。
附图说明
图1为实施例1以Fe2-xMgxO3薄膜钝化电子传输层/钙钛矿光敏活性层间界面的钙钛矿光伏电池的结构示意图；其中1-透明导电衬底，2-电子传输层，3-界面钝化层，4-钙钛矿光敏活性层，5-空穴传输层，6-金属电极；
图2为实施例5以Fe2-xMgxO3薄膜钝化空穴传输层/钙钛矿光敏活性层间界面的钙钛矿光伏电池的结构示意图；其中1-透明导电衬底，2-电子传输层，3-钙钛矿光敏活性层，4-界面钝化层，5-空穴传输层，6-金属电极；
图3为实施例1-6以Fe2-xMgxO3薄膜为界面钝化层的平面结构钙钛矿光伏电池的J-V曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步描述，该描述只是为了更好的说明本发明而不是对其进行限制。本发明并不限于这里所描述的特殊实例和实施方案。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，都落入本发明的保护范围。
本发明实施例合成Fe2-xMgxO3(0≤x≤0.2)纳米颗粒按如下方案进行：
将10(2-x)mM FeCl3 .6H2O(Sigma Al-drich,>97％)和x(x＝0～0.20)mM MgCl2溶于55mL去离子水中，搅拌30分钟后，加入15mL浓度为28wt％的氨水再搅拌30分钟后转入100mL的Teflon高压釜，在200℃条件下水热反应5小时，将所得固体产品分离后，在去离子水和乙醇中分别清洗3次，最后，在烘箱中于60℃干燥12小时，将干燥后的粉末在300℃退火3小时得到Fe2-xMgxO3纳米颗粒。
本发明实施例中水溶液法制备SnO2薄膜的方法为：将15wt％SnO2水分散液用超纯水以体积比1：4进行稀释并且彻夜搅拌进行混合，采用旋涂法将其涂在导电衬底上，在空气中于150℃退火1小时得到。
SnO2量子点(QD)薄膜的制备方法为：将0.91g SnCl2·2H2O和0.3g硫脲(质量比3:1)溶于30mL去离子水中，室温下搅拌1-2天，得到澄清黄色溶液，将其旋涂在导电衬底上，在空气中200℃退火1小时得到。
实施例1
一种平面结构钙钛矿光伏电池，结构示意图如图1所示，其结构从下至上包括透明导电衬底1、电子传输层2、界面钝化层3、钙钛矿光敏活性层4、空穴传输层5和金属电极6，其制备方法包括如下步骤：
(1)透明导电衬底的清洗处理：清洗FTO导电玻璃片，先将FTO导电玻璃片放入含有清洁剂(如液体洗洁精)的温水中浸泡20分钟，然后反复擦洗后清水冲干净；接着用抛光粉进行抛光处理；然后分别放入装有去离子水、丙酮和酒精的器皿中分别超声处理20分钟，最后放进去离子水中冲洗两遍后，用氮气枪吹干并放入烘箱中60℃烘干；
(2)电子传输层制备：在清洗后的FTO导电玻璃衬底上制备SnO2量子点薄膜，并将其放入紫外臭氧清洗仪中紫外臭氧处理15分钟，将处理后的FTO衬底迅速转入手套箱中；
(3)采用溶液法在衬底的SnO2量子点薄膜上制备Fe1.92Mg0.08O3薄膜作为界面钝化层；
a.取1mg的Fe1.92Mg0.08O3颗粒加入1毫升的甲醇，超声分散2次，每次30分钟，完全分散均匀待用；
b.在惰性气体环境下，用旋涂法以900转/分(旋涂15s)的速度在SnO2量子点薄膜上涂覆一层步骤a的Fe1.92Mg0.08O3分散液，使其形成约30nm厚的Fe1.92Mg0.08O3薄膜。
(4)钙钛矿光敏活性层的制备：
a.CH3NH3PbI3前驱溶液的制备：将0.2067g CH3NH3I与0.6000g PbI2混合溶解在1mL二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)的混合溶剂(DMF与DMSO体积比为4：1)中，并在60℃下搅拌12小时，得到CH3NH3PbI3前驱溶液，待用；
b.CH3NH3PbI3薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的钙钛矿前驱溶液以旋涂的方式，按先低速1000转/分(5秒)、后高速5000转/分(30秒)的速率在ITO衬底表面制备CH3NH3PbI3薄膜，并在高速结束前20秒时，将200微升的氯苯滴在CH3NH3PbI3薄膜表面，然后在100℃下退火30分钟，在衬底表面制备得到钙钛矿光敏活性层；
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：将72.3mg的Spiro-OMeTAD溶解在1mL的氯苯溶液中，并在其中加入29μL的TBP(磷酸三丁酯)和18μL的Li-TFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)溶液(浓度为520mg/mL，溶剂为乙腈)，用旋涂的方法按3500转/分(30秒)的速率在钙钛矿光敏层CH3NH3PbI3薄膜上制备Spiro-OMeTAD空穴传输层；
(6)电极的制备：在Spiro-OMeTAD表面蒸镀约100nm厚的Ag电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
为了评价本实施例以Fe1.92Mg0.08O3薄膜为界面钝化层所得平面结构钙钛矿光伏电池的光伏特性，利用Keithley 2400测试仪对本实施例制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.064V，电池的短路电流为20.99mA/cm2，填充因子为72.5％，能量转换效率为16.20％。
实施例2
一种平面结构钙钛矿光伏电池，其结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、界面钝化层、钙钛矿光敏活性层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)清洗FTO导电玻璃衬底：同实施例1；
(2)电子传输层制备：在FTO衬底上制备SnO2薄膜，并将其放入紫外臭氧清洗仪中紫外臭氧处理15分钟，将处理后的FTO衬底迅速转入手套箱中；
(3)采用溶液法在衬底的SnO2薄膜上制备Fe1.84Mg0.16O3薄膜作为界面钝化层；
a.取1mg的Fe1.84Mg0.16O3颗粒加入2毫升的甲醇，超声分散2次，每次30分钟，完全分散均匀待用；
b.用旋涂法以900转/分(15s)的速度在SnO2薄膜上旋涂一层上述的Fe1.84Mg0.16O3分散液，使其形成30nm厚薄膜。
(4)钙钛矿光敏活性层的制备：
a.(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12前驱体溶液的制备：将0.5599g的PbI2、0.0608g的PbBr2、0.1970g的FAI、0.0185g的PbI2与0.0179g CsI混合溶解在1mL DMF和DMSO的混合溶剂中，并在40℃下搅拌4小时，得到前驱体溶液，待用；
b.(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的前驱体溶液以旋涂的方式，按先低速1000转/分(5秒)、后高速5000转/分(30秒)的速率在FTO衬底表面制备(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜，并在高速结束前10秒时，将200微升的氯苯匀速滴在(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜中心表面，然后在100℃下退火60分钟，最终(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜的厚度大约在550nm；
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1；
(6)电极的制备：在Spiro-OMeTAD表面蒸镀约80nm厚的Au电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
为了评价本实施例以Fe1.84Mg0.16O3薄膜为界面钝化层所得平面结构钙钛矿光伏电池的光伏特性，利用Keithley 2400测试仪对本实施例制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.107V，电池的短路电流为22.60mA/cm2，填充因子为78.2％，能量转换效率为19.56％。
实施例3
一种平面结构钙钛矿光伏电池，其结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、界面钝化层、钙钛矿光敏活性层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)ITO导电玻璃衬底的清洗：同实施例1；
(2)电子传输层制备：在清洗后的ITO导电玻璃衬底上制备SnO2量子点薄膜，并将其放入紫外臭氧清洗仪中，在大气的气氛和室温下紫外臭氧处理10分钟；
(3)采用溶液法在衬底的SnO2量子点薄膜上制备Fe1.80Mg0.20O3薄膜作为界面钝化层；
a.取1mg的Fe1.80Mg0.20O3粉末加入2毫升的甲醇，超声分散2次，每次30分钟，完全分散均匀待用；
b.用旋涂法以900转/分(15s)的速度在SnO2量子点薄膜上旋涂一层上述的Fe1.80Mg0.20O3分散液，使其形成40nm厚薄膜；
(4)钙钛矿光敏活性层的制备：同实施例2；
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1；
(6)电极的制备：同实施例2；
为了评价本实施例以Fe1.80Mg0.20O3薄膜为界面钝化层所得平面结构钙钛矿光伏电池的光伏特性，利用Keithley 2400测试仪对本实施例制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.102V，电池的短路电流为22.05mA/cm2，填充因子为77.7％，能量转换效率为18.88％。
实施例4
一种平面结构钙钛矿光伏电池，其结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、界面钝化层、钙钛矿光敏活性层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)FTO导电玻璃衬底的清洗：同实施例1；
(2)电子传输层制备：同实施例1；
(3)采用溶液法在衬底的SnO2量子点薄膜上制备Fe1.80Mg0.20O3薄膜作为界面钝化层；
a.取1mg的Fe1.84Mg0.16O3颗粒加入10毫升的氯苯，超声2次，每次30分钟，完全分散溶解待用；
b.用旋涂法以800转/分(15s)的速度在SnO2量子点薄膜上旋涂一层上述的Fe1.80Mg0.20O3分散液，使其形成40nm厚薄膜；
(4)钙钛矿光敏活性层的制备：
a.(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12前驱体溶液的制备：将0.5599g的PbI2、0.0608g的PbBr2、0.1970g的FAI、0.0185g的PbI2与0.0179g CsI混合溶解在1mL DMF和DMSO的混合溶剂中，并在40℃下搅拌4小时，得到前驱体溶液，待用；
b.(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的钙钛矿前驱体溶液以旋涂的方式，按先低速1000转/分(5秒)、再高速5000转/分(30秒)的速率在FTO衬底上制备(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜，并在高速结束前10秒时，将200微升0.1mg/mL的Fe1.88Mg0.16O3氯苯溶液匀速滴在(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜中心表面，然后在100℃下退火60分钟，最终(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜的厚度大约在550nm；
(5)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1；
(6)电极的制备：同实施例2。
为了评价以本实施例以0.1mg/mL Fe1.84Mg0.16O3薄膜为界面钝化层所得平面结构钙钛矿光伏电池的光伏特性，利用Keithley 2400测试仪对本实施例制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.074V，电池的短路电流为21.66mA/cm2，填充因子为75.2％，能量转换效率为17.49％。
实施例5
一种平面结构钙钛矿光伏电池，结构示意图如图2所示，其结构从下至上包括透明导电衬底1、电子传输层2、钙钛矿光敏活性层3、界面钝化层4、空穴传输层5和金属电极6，其制备方法包括如下步骤：
(1)FTO导电玻璃衬底的清洗：同实施例1；
(2)电子传输层制备：同实施例1；
(3)钙钛矿矿光敏活性层的制备：
a.(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12前驱体溶液的制备：将0.5599g的PbI2、0.0608g的PbBr2、0.1970g的FAI、0.0185g的PbI2与0.0179g CsI混合溶解在1mL DMF和DMSO的混合溶剂中，并在40℃下搅拌4小时，得到前驱体溶液，待用；
b.(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的钙钛矿前驱体溶液以旋涂的方式，按先低速1000转/分(5秒)、后高速5000转/分(30秒)的速率在FTO衬底表面制备(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜，并在高速结束前10秒时，将200微升的氯苯匀速滴在(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜中心表面，然后在100℃下退火60分钟，最终(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12薄膜的厚度大约在550nm；
(4)在钙钛矿光敏活性层上制备Fe2O3薄膜；
a.取1mg的Fe2O3颗粒加入2毫升的氯苯溶液，超声分散2次，每次30分钟，完全分散溶解待用；
b.用旋涂法以900转/分(15s)的速度在SnO2量子点薄膜上涂覆一层上述的Fe2O3溶液，使其形成薄膜。
(6)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1；
(7)电极的制备：同实施例2；
为了评价本实施例以Fe2O3薄膜为界面钝化层所得平面结构钙钛矿光伏电池的光伏特性，利用Keithley 2400测试仪对本实施例制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.080V，电池的短路电流为21.86mA/cm2，填充因子为76.1％，能量转换效率为：17.87％。
实施例6
一种平面结构钙钛矿光伏电池，其结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、界面钝化层、钙钛矿光敏活性层、空穴传输层和金属电极，其制备方法包括如下步骤：
(1)在镀有ITO的柔性透明塑料衬底上制备电子传输层：同实施例1；
(2)在电子传输层上制备Fe1.84Mg0.16O3薄膜作为界面钝化层：同实施例2；
a.取1mg的Fe1.88Mg0.16O3颗粒加入2毫升的甲醇，超声分散2次，每次30分钟，完全分散均匀待用；
b.用旋涂法以900转/分(15s)的速度在电子传输层表面旋涂一层上述的Fe1.88Mg0.16O3分散液，使其形成薄膜。
(3)钙钛矿光敏活性层的制备：
a.CH3NH3PbI3前驱溶液的制备：将0.2067g合成的CH3NH3I与0.6000g PbI2(Aldrich)混合溶解在1mL DMF和DMSO的混合溶剂中，并在60℃下搅拌12小时，待用；
b.CH3NH3PbI3薄膜的制备：在惰性气体保护的气箱中，将制备好的钙钛矿前辈溶液以旋涂的方式，按先低速1000转/分(5秒)、再高速5000转/分(30秒)的速率在衬底表面制备CH3NH3PbI3薄膜，并在高速结束前20秒时，将200微升的氯苯滴在CH3NH3PbI3薄膜表面，然后在150℃下退火15分钟，在衬底表面制备得到钙钛矿光敏活性层；
(4)空穴传输层Spiro-OMeTAD的制备：同实施例1。
(5)电极的制备：在Spiro-OMeTAD表面蒸镀约100nm厚的Cu电极，得到平面结构钙钛矿光伏电池。
为了评价本实施例以Fe1.88Mg0.16O3薄膜为界面钝化层所得平面结构的钙钛矿光伏电池的光伏特性，利用Keithley 2400测试仪对本实施例制备的电池进行了J-V曲线的测试，结果如图3所示。电池性能测试结果：开路电压为1.021V，电池的短路电流为19.72mA/cm2，填充因子为52.5％，能量转换效率为10.56％。

Claims (10)

1.一种高性能钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池的结构从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、界面钝化层、钙钛矿光敏活性层、空穴传输层以及金属电极；或者
所述钙钛矿太阳能电池从下至上包括透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿光敏活性层、界面钝化层、空穴传输层以及金属电极；
所述界面钝化层为n型Fe2-xMgxO3薄膜材料，其中0≤x≤0.2，厚度30～40nm。
2.根据权利要求1所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，所述透明导电衬底为ITO导电玻璃、FTO导电玻璃或镀有ITO的柔性透明塑料。
3.根据权利要求1所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，所述电子传输层为SnO2薄膜，为水溶液法制备的SnO2薄膜或SnO2量子点薄膜。
4.根据权利要求3所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，水溶液法制备的SnO2薄膜的制备方法为：将SnO2水分散液用超纯水进行稀释并且彻夜搅拌进行混合，采用旋涂法将其涂在导电衬底上，在空气中退火得到。
5.根据权利要求3所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，所述SnO2量子点薄膜的制备方法为：将SnCl2·2H2O和硫脲溶于去离子水中，室温下搅拌1-2天，得到澄清黄色溶液，其旋涂在导电衬底上，在空气中退火得到。
6.根据权利要求1所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，所述钙钛矿光敏活性层为CH3NH3PbI3材料或(CsPbI3)0.05(FAPbI3)0.83(MAPbBr3)0.12三元混合钙钛矿材料。
7.根据权利要求1所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，所述空穴传输层为Spiro-OMeTAD；所述金属电极为Au电极或Ag电极或Cu电极。
8.根据权利要求1所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，所述Fe2-xMgxO3薄膜材料的制备方法为：
a)合成Fe2-xMgxO3纳米颗粒：将FeCl3 .6H2O和MgCl2按化学计量比溶于去离子水中，搅拌溶解后，加入氨水，再搅拌充分后转入高压反应釜进行水热反应，反应结束后分离出固体产品，经清洗、干燥得到粉末材料，将粉末材料退火处理得到Fe2-xMgxO3纳米颗粒；
b)采用溶液法制备Fe2-xMgxO3薄膜：将步骤a)所制备的Fe2-xMgxO3纳米颗粒超声分散于甲醇或氯苯中，得到浓度为0.1～1.0mg/mL的混合液，在空气或惰性气体环境下将所得混合液采用直接旋涂法或反溶剂法制备成Fe2-xMgxO3薄膜； 该Fe2-xMgxO3薄膜作为钝化层钝化电子传输层/钙钛矿光敏活性层或空穴传输层/钙钛矿光敏活性层间界面。
9.根据权利要求8所述的高性能钙钛矿电池，其特征在于，步骤a)所述水热反应条件为：水热反应温度为200℃，水热反应时间为5h；
步骤a)所述退火处理工艺条件为：300℃下退火3h。
10.一种权利要求1-9任一所述的高性能钙钛矿电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在透明导电衬底上制备电子传输层，然后放入紫外臭氧清洗仪中紫外臭氧处理；
2)在电子传输层上制备Fe2-xMgxO3薄膜作为界面钝化层；
3)在惰性气体保护下，在Fe2-xMgxO3薄膜表面制备钙钛矿光敏活性层；
4)用旋涂的方法在钙钛矿光敏活性层表面制备空穴传输层；
5)最后在空穴传输层表面蒸镀金属电极，得到平面结构高性能钙钛矿电池；或者
1)在透明导电衬底上制备电子传输层，然后放入紫外臭氧清洗仪中紫外臭氧处理；
2)在惰性气体保护下，在电子传输层上表面上制备钙钛矿光敏活性层；
3)在钙钛矿光敏活性层上制备Fe2-xMgxO3薄膜作为界面钝化层；
4)用旋涂的方法在Fe2-xMgxO3薄膜表面制备空穴传输层；
5)最后在空穴传输层表面蒸镀金属电极，得到平面结构高性能钙钛矿电池。
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