CN113964273A - 一种化合物、钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种化合物、钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法。该太阳能电池包括基底层、钙钛矿光吸收层、两层载流子传输层以及顶电极层，钙钛矿光吸收层位于两个传输层之间；还包括修饰层，修饰层位于钙钛矿光吸收层与一层传输层之间；修饰层的化学成分包括卤化稠杂环铵盐。该钙钛矿薄膜太阳能电池的卤化稠杂环铵盐修饰层，可在钙钛矿光吸收层的表面引入额外的卤素源，从而有效钝化钙钛矿吸收层表面的缺陷，抑制载流子非辐射复合，提高载流子传输性能；同时，该太阳能电池无论是在制备过程中还是在成品工作过程中都能耐受100℃下的温度。该太阳能电池具有良好的光电转换效率和稳定性。

Description

一种化合物、钙钛矿薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体而言，涉及一种化合物、钙钛矿 薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，卤化物钙钛矿材料备受关注，其独特的性能和成分多样性为学 术界和工业界提供了无限的开发空间。目前，钙钛矿太阳能电池的光电转化 效率记录已达到25.5％，显示出与晶硅太阳能电池竞争的巨大潜力。卤化物 钙钛矿也正是因为优越的光电性能，再加上较低的成本，成为最有希望的下 一代光伏材料。
然而，溶液处理的钙钛矿薄膜通常是多晶的，这意味着它们包含大量的 缺陷，尤其是在钙钛矿晶界和表面。这些缺陷不仅会引起载流子的复合，还 会诱导钙钛矿光吸收层薄膜的降解，从而降低钙钛矿太阳能电池的效率和稳 定性。这极大地影响了钙钛矿太阳能电池产业化的进程。现行钙钛矿太阳能 电池制备技术往往难以兼顾电池的高效率和高稳定性。如目前高效率钙钛矿 太阳能电池中普遍使用的苯基乙胺氢碘酸盐修饰层,该修饰层存在与钙钛矿 间的反应，使电池在加热超过50℃时即发生不可逆的性能退化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种化合物、钙钛矿薄膜太阳能电池 及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
本发明提供一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的化合物，所述化合物为卤 化稠杂环铵盐。
进一步，所述卤化稠杂环铵盐的化学通式为：
R-(CH2)n-NH3 +X-；
其中，R为取代或未取代的吲哚基、喹啉基、嘌呤基、苯并呋喃基、异 喹啉基、喋啶基中的一种；R上取代基为烷基、烷氧基、氨基、羟基、酰基 及卤素取代基中的一种或多种；
-(CH2)n-为n的值为0～8的直链或支链的亚烷基；
X为氯、溴、碘中的一种。
进一步，所述卤化稠杂环铵盐为碘化吲哚基乙铵、溴化吲哚基乙铵、氯 化吲哚基乙铵、碘化喹啉基乙铵、碘化苯并呋喃基乙铵或碘化嘌呤基乙铵。
本发明提供一种钙钛矿薄膜太阳能电池，包括基底层、钙钛矿光吸收层 以及顶电极层，所述钙钛矿光吸收层位于所述基底层和所述顶电极层之间； 还包括修饰层，所述修饰层位于所述钙钛矿光吸收层与所述顶电极层之间； 所述修饰层的成分为如上述的化合物。
进一步，所述基底层与所述钙钛矿光吸收层之间、和/或所述修饰层与 所述顶电极层之间设有传输层。
进一步，所述基底层为透明导电基底玻璃或叠层电池中的底电池；所述 透明导电基底玻璃为氧化铟锡玻璃或氟掺杂氧化锡玻璃中的一种；所述叠层 电池中的底电池为硅底电池、铜铟镓硒底电池、碲化镉底电池或钙钛矿底电 池中的一种。
进一步，所述钙钛矿光吸收层的化学成分包括FAPbI3、MAPbI3、 FAxMA1-xPbI3、FAxMA1-xPbIaBr3-a、FAxCsyMA1-x-yPbI3或FAxCsyMA1-x-yPbIaBr3-a中的一种；其中，0<x<1,0<y<1，且x+y＜1；0<a<3。
进一步，所述顶电极层为金属电极、碳电极或透明电极中的一种。
本发明提供一种如上述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下 步骤：
分别配制所述钙钛矿光吸收层和所述修饰层的前驱体溶液，先在所述基 底层上进行所述钙钛矿光吸收层的前驱体溶液的涂覆和退火处理，形成所述 钙钛矿光吸收层，再在所述钙钛矿光吸收层上进行所述修饰层的前驱体溶液 的涂覆和退火处理，形成所述修饰层，最后通过蒸镀工艺或印刷工艺在所述 修饰层上制备所述顶电极层。
进一步，所述修饰层的前驱体溶液为卤化稠杂环铵盐溶液；所述卤化稠 杂环铵盐溶液的浓度为0.01wt％～1wt％。
本发明的有益效果在于：
1)本发明的用于钙钛矿薄膜太阳能电池的化合物，其结构以卤化稠杂 环铵盐为主要成分，以该化合物作为修饰层，可在钙钛矿光吸收层的表面引 入额外的卤素源，从而有效钝化钙钛矿吸收层表面的缺陷，抑制载流子非辐 射复合，提高载流子传输性能。
2)本发明的钙钛矿薄膜太阳能电池，其修饰层中的卤化稠杂环铵盐能 够通过分子间π-π堆叠形成的致密分子层能有效抑制钙钛矿中碘离子的迁 移，从而提高钙钛矿光吸收层的稳定性；由于稠杂环基较大的基团体积和更 强的分子间相互作用力，钙钛矿太阳能电池无论是在制备过程中还是在成品 工作过程中都能耐受100℃以下的温度。基于卤化稠杂环铵盐修饰的钙钛矿 薄膜太阳能电池的光电转换效率和稳定性都得到了提高。
附图说明
图1为本发明的实施例1中的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明的实施例1与对比例的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线对比 图；
图3为本发明的实施例1与对比例的钙钛矿太阳能电池的长期稳定性曲 线对比图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、基底层，2、第一传输层，3、钙钛矿光吸收层，4、修饰层，5、第 二传输层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的钙钛矿薄膜太阳能电池，包括基底层1和顶电极层6，基底层 1与顶电极层6之间依次设有钙钛矿光吸收层3和修饰层4；还包括至少一 个传输层，每个传输层位于基底层1与钙钛矿光吸收层3之间，或位于修饰 层4和顶电极层6之间；修饰层4的化学成分包括卤化稠杂环铵盐。
本发明的卤化稠杂环铵盐的化学通式为：
R-(CH2)n-NH3 +X-；
其中，R为吲哚基、喹啉基、嘌呤基、苯并呋喃基、异喹啉基、喋啶基 等稠杂环取代基中的一种或多种，具体的化学结构式分别为：
Figure BDA0003324244320000051
(CH2)n为n的值为0～8的直链或支链的烷基；X为氯、溴、碘中的一种 或多种。
优选的，卤化稠杂环铵盐为碘化吲哚基乙铵、溴化吲哚基乙铵、氯化吲 哚基乙铵、碘化喹啉基乙铵、碘化苯并呋喃基乙铵或碘化嘌呤基乙铵。
优选的，传输层为两个，分别为第一传输层2和第二传输层5；第一传 输层2位于基底层1与钙钛矿光吸收层3之间，第二传输层5位于修饰层4 和顶电极层6之间。
优选的，基底层1为透明导电基底或叠层电池中的底电池；透明导电基 底为氧化铟锡(ITO)或氟掺杂氧化锡(FTO)中的一种；叠层电池中的底电 池为硅底电池、铜铟镓硒底电池、碲化镉底电池或钙钛矿底电池中的一种。
优选的，钙钛矿光吸收层3的化学成分包括FAPbI3、MAPbI3、 FAxMA1-xPbI3、FAxMA1- xPbIaBr3-a、FAxCsyMA1-x-yPbI3或FAxCsyMA1-x-yPbIaBr3-a中的一种。
优选的，顶电极层6为金属电极、碳电极或透明电极中的一种。
本发明的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
分别配制传输层、钙钛矿光吸收层3和修饰层4的化学成分的前驱体溶 液，再在基底层1上依次进行涂覆和退火处理，最后通过蒸镀工艺或印刷工 艺在修饰层4或一个传输层上制备顶电极层6。
优选的，修饰层4的化学成分的前驱体溶液为卤化稠杂环铵盐溶液，卤 化稠杂环铵盐溶液的浓度为0.01wt％～1wt％。
卤化稠杂环铵盐溶液包括卤化稠杂环铵盐和有机溶剂，有机溶剂包括甲 醇、乙醇、异丙醇、乙腈中的一种或几种。
以下通过实施例和对比例对本发明的钙钛矿薄膜太阳能电池及制备方 法的效果进行说明：
实施例1
如图1所示，本实施例中的钙钛矿薄膜太阳能电池依次包括基底层1、 第一传输层2、钙钛矿光吸收层3、修饰层4、第二传输层5和顶电极层6， 修饰层4的化学成分为碘化吲哚基乙铵，其化学式为：C8H6N-C2H4-NH3-I。
本实施例的基底层1为氧化铟锡玻璃(ITO)，钙钛矿光吸收层3的化 学成分为1.04mmol FAI、0.065mmol CsI、0.195mmol MABr和1.3mmol PbI2(FA0.8MA0.05Cs0.15PbI2.55Br0.45)，顶电极层6为金属电极，具体的金属种类为金。
本实施例的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)选用ITO玻璃作为基底层1，依次使用洗洁精水溶液、超纯水、丙酮、 异丙醇分别对ITO玻璃的基底层1进行超声处理，每种溶液的处理时间分别 为20min，处理后，采用N2吹干，再用UV-O3超声处理20min。
2)将浓度为2.5wt％的二氧化锡纳米颗粒水分散液旋涂到步骤1)处理 后的基底层1上，旋涂转速为4000rpm，旋涂时间为30s，然后在150℃ 下退火处理30min，在基底层上形成第一传输层2。
3)称取1.3mmol PbI2和0.065mmol CsI，然后再向其中添加0.9mL N,N-二甲基甲酰胺和0.1mL二甲基亚砜，并在70℃下搅拌上述各成分1h 使溶解至澄清，得到钙钛矿光吸收层3的前驱体溶液1；称取1.04mmol FAI、0.195mmol MABr和0.06mmolMACl并溶解于1mL的异丙醇中，得到钙钛矿光 吸收层3的前驱体溶液2；通过旋涂法将钙钛矿光吸收层3的前驱体溶液1 旋涂到第一传输层2上，旋涂转速为2000rpm，并在70℃退火1分钟；然 后旋涂前驱体溶液2，旋涂转速为2500rpm，并进一步转移至环境条件下在 150℃下退火处理15min，从而在第一传输层2上形成钙钛矿光吸收层3。
4)将4mg碘化吲哚基铵盐溶于1mL异丙醇中，得到修饰层4的前驱 体溶液；接着将修饰层4的前驱体溶液旋涂到钙钛矿光吸收层3上，旋涂转 速为3000rpm，旋涂时间为30s，然后在100℃下退火处理10min，在钙 钛矿光吸收层3上形成修饰层4。
5)将70mg Spiro-OMeTAD溶于1mL氯苯中，并添加30μL TBP和35 μL浓度为260mg/mL的Li-TFSI/ACN溶液，混合均匀，得到Spiro-OMeTAD 溶液；然后，将Spiro-OMeTAD溶液旋涂到修饰层④上，旋涂转速为3000rpm， 旋涂时间为30s，在修饰层4上形成第二传输层5。
6)在第二传输层5上真空热蒸镀厚度为100nm的金作为顶电极层6， 即得到钙钛矿薄膜太阳能电池。
对比例
对比例的钙钛矿薄膜太阳能电池的结构与上述实施例相比的区别仅在 于没有修饰层4，同时，制备方法与上述实施例中的制备方法相比的区别也 仅在于不含有制备修饰层4的相应步骤。
对实施例1中的钙钛矿薄膜太阳能电池和对比例中的钙钛矿薄膜太阳能 电池份性能分别进行测试。测试的结果如图2、表1以及图3所示。
表1实施例1和对比例1中的钙钛矿薄膜太阳能电池各参数对比
Figure BDA0003324244320000071
Figure BDA0003324244320000081
由图2的J-V曲线图和表1中的测试结果可知，实施例1制备的钙钛矿 薄膜太阳能电池的开路电压Voc为1.157V，短路电流Jsc为23.86mA/cm2， 填充因子FF为83.71％，最终电池转换效率PCE为23.11％，均显著的优于 对比例的太阳能电池的各参数，因此，实施例1的钙钛矿薄膜太阳能电池明 显优于对比例1的传统钙钛矿太阳能电池。
由图3的环境湿度、AM1.5G光谱下的稳态功率输出曲线图可知，实施例 1所制备的钙钛矿薄膜太阳能电池的稳定性也明显优于对比例1的传统钙钛 矿太阳能电池。
不同卤素离子间具有化学性质相似性，对于含有其它卤素阴离子的吲哚 基乙铵盐如溴化吲哚基乙铵、氯化吲哚基乙铵也进行了上述实验，所得到的 试验结果与实施例1相似，相比于对比例1，均具有良好的效果。
对于其它与吲哚基团类似的含稠杂环结构的铵盐如碘化喹啉基乙铵、碘 化苯并呋喃基乙铵和碘化嘌呤基乙铵盐也进行了上述实验，所得到的试验结 果亦与实施例1相似，相比于对比例1，均具有良好的效果。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于 描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定 的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或 暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第 一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明 的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确 具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上” 或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介 间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是 第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第 二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特 征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特 征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示 例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描 述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例 中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例 或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个 实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域 的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或 示例的特征进行结合和组合。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也 可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可 以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。 对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的 具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的化合物，其特征在于，所述化合物为卤化稠杂环铵盐。
2.根据权利要求1所述一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的化合物，其特征在于，所述卤化稠杂环铵盐的化学通式为：
R-(CH2)n-NH3 +X-；
其中，R为取代或未取代的吲哚基、喹啉基、嘌呤基、苯并呋喃基、异喹啉基、喋啶基中的一种；R上取代基为烷基、烷氧基、氨基、羟基、酰基及卤素取代基中的一种或多种；
-(CH2)n-为n的值为0～8的直链或支链的亚烷基；
X为氯、溴、碘中的一种。
3.根据权利要求2所述一种用于钙钛矿薄膜太阳能电池的化合物，其特征在于，所述卤化稠杂环铵盐为碘化吲哚基乙铵、溴化吲哚基乙铵、氯化吲哚基乙铵、碘化喹啉基乙铵、碘化苯并呋喃基乙铵或碘化嘌呤基乙铵。
4.一种钙钛矿薄膜太阳能电池，包括基底层(1)、钙钛矿光吸收层(3)以及顶电极层(6)，所述钙钛矿光吸收层(3)位于所述基底层(1)和所述顶电极层(6)之间；其特征在于，
还包括修饰层(4)，所述修饰层(4)位于所述钙钛矿光吸收层(3)与所述顶电极层(6)之间；
所述修饰层(4)的成分为如权利要求1～3任意一项所述的化合物。
5.根据权利要求4所述一种钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于，所述基底层(1)与所述钙钛矿光吸收层(3)之间、和/或所述修饰层(4)与所述顶电极层(6)之间设有传输层。
6.根据权利要求4所述一种钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于，所述基底层(1)为透明导电基底玻璃或叠层电池中的底电池；
所述透明导电基底玻璃为氧化铟锡玻璃或氟掺杂氧化锡玻璃中的一种；
所述叠层电池中的底电池为硅底电池、铜铟镓硒底电池、碲化镉底电池或钙钛矿底电池中的一种。
7.根据权利要求4所述一种钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿光吸收层(3)的化学成分包括FAPbI3、MAPbI3、FAxMA1-xPbI3、FAxMA1-xPbIaBr3-a、FAxCsyMA1-x-yPbI3或FAxCsyMA1-x-yPbIaBr3-a中的一种；
其中，0<x<1,0<y<1，且x+y＜1；0<a<3。
8.根据权利要求4所述的一种钙钛矿薄膜太阳能电池，其特征在于，所述顶电极层(6)为金属电极、碳电极或透明电极中的一种。
9.一种如权利要求4～8任一项所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别配制所述钙钛矿光吸收层(3)和所述修饰层(4)的前驱体溶液，先在所述基底层(1)上进行所述钙钛矿光吸收层(3)的前驱体溶液的涂覆和退火处理，形成所述钙钛矿光吸收层(3)，再在所述钙钛矿光吸收层(3)上进行所述修饰层(4)的前驱体溶液的涂覆和退火处理，形成所述修饰层(4)，最后通过蒸镀工艺或印刷工艺在所述修饰层(4)上制备所述顶电极层(6)。
10.根据权利要求9所述一种钙钛矿薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述修饰层(4)的前驱体溶液为卤化稠杂环铵盐溶液；
所述卤化稠杂环铵盐溶液的浓度为0.01wt％～1wt％。
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