CN115581079B - 一种吸光层钝化剂及其制备的钙钛矿太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于钙钛矿太阳能电池的吸光层钝化剂，该吸光层钝化剂选自式1的化合物。此外，还公开了一种吸光层钝化剂组合物和由其形成的钝化层，以及包括该钝化层的钙钛矿太阳能电池。通过在本发明吸光层上形成特定的钝化层，使得所得到的钙钛矿太阳能电池各项性能参数进一步改善。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种吸光层钝化剂及其制备的钙钛矿太阳能电池。
背景技术
在我国西部广大地区尤其是偏远地区，由于道路难行，线缆铺设难度大，电力相对匮乏等原因，造成道路照明条件落后，人们夜间出行存在安全隐患，也给乡村振兴带来巨大的阻碍。随着光伏技术的发展，作为再生能源的太阳能电池与LED路灯结合而成的太阳能路灯，已在我国多个城市和乡镇掀起建设热潮。
当前以光伏效应工作的晶硅太阳能电池，是普遍利用的第一代太阳能电池。第二代太阳能电池是采用非晶硅及氧化物为材料的薄膜太阳能电池。
相比第一代和第二代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池生产成本低，能量回收周期短，适于大面积连续生产，运输安装方便；同时光吸收系数远高于晶体硅，作为吸光层的薄膜仅需1微米左右的厚度，大大降低了材料的需求量。同时，钙钛矿材料的沉积温度较低，无需复杂的处理条件。钙钛矿太阳能电池可以通过简单的低成本成膜技术，例如旋涂法、浸涂法、丝网印刷和双源蒸镀法制备。钙钛矿材料可以直接沉积在玻璃和不锈钢等刚性衬底上，也可以沉积或生长在塑料或树脂等柔性衬底上，在智能路灯、高速公路太阳能采集系统和弱光室内采集系统等亮化工程领域具有广泛的应用前景。
然而，钙钛矿太阳能电池的制备工艺仍然缺乏相应的标准。在使用钙钛矿的原料配制前驱体溶液时，实际上是胶体分散液，而不是分子级溶液。前驱体溶液中各组分原料的特性尤其是各组分种类及其比例对前驱体形成的胶体分散液和随后形成的钙钛矿薄膜和钙钛矿太阳能电池的光伏性能产生关键影响。但是，人们对钙钛矿原料如何影响前驱体胶体分散液的性质、钙钛矿薄膜的质量以及最终形成的钙钛矿太阳能电池的光伏性能等方面，知之甚少。
初步相关研究表明，前驱体溶液中存在的(PbnIm)+2n-m离子与极性非质子溶剂的相互作用决定了MAPbI3中间相以及最终的成膜。然而，现有技术在研究PbI2S4中间相对前驱体胶体分散液的性质、钙钛矿薄膜的质量以及最终形成的钙钛矿太阳能电池的光伏性能等方面仍然存在相当大的盲区，很多情况下形成的薄膜存在较多缺陷，进而导致阻碍光生载流子传输，降低电池的短路电流，最终影响钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)。
各种各样的方法被提出来以钝化钙钛矿薄膜吸光层，通常分为两类。K、Rb、Cu、Ni和Zn离子通过与碘离子形成离子键，从而阻止碘离子迁移。有机铵类化合物和电子给提化合物通过配位键的相互作用使钙钛矿钝化。上述钝化剂有利于钙钛矿吸光层中光生载流子的传输，降低载流子的复合，进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率(PCE)。
然而，目前已知的吸光层钝化剂仍然存在钝化效果不佳的缺陷，导致开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和光电转换效率PCE等各项性能参数不佳，因而仍然需要寻找一种各项性能参数进一步改善的吸光层钝化剂及其制备的钙钛矿太阳能电池。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吸光层钝化剂及其制备的钙钛矿太阳能电池。相对于现有技术，由本发明所述钙钛矿吸光层钝化剂所得到的钙钛矿太阳能电池的开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和光电转换效率PCE等各项性能参数进一步改善。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明采用以下技术方案：一种用于钙钛矿太阳能电池的吸光层钝化剂，其特征在于，所述吸光层钝化剂选自式1的化合物，
其中，m和n各自独立地选自0-4的整数。
优选地，m和n各自独立地选自0-3的整数；更优选地，m和n各自独立地选自0-2的整数；以及，最优选地，m和n各自独立地选自0或1的整数。
根据本发明所述的吸光层钝化剂，其中，所述吸光层钝化剂选自式2的化合物，
在式2中，NH2的取代位置可以是苯醚基的邻位、间位或对位。
根据本发明所述的吸光层钝化剂，其中，所述吸光层钝化剂选自式3的化合物，
进一步地，本发明提供了一种用于钙钛矿太阳能电池的吸光层钝化剂组合物，包括根据本发明所述的吸光层钝化剂和有机溶剂。
根据本发明所述的吸光层钝化剂组合物，其中，所述有机溶剂选自氯苯。
根据本发明所述的吸光层钝化剂组合物，其中，所述吸光层钝化剂与所述有机溶剂的重量体积比为(1-5)mg:1mL。
优选地，所述吸光层钝化剂与所述有机溶剂的重量体积比为(1.5-4.5)mg:1mL；更优选地，所述吸光层钝化剂与所述有机溶剂的重量体积比为(2-4)mg:1mL；以及，所述吸光层钝化剂与所述有机溶剂的重量体积比为(2.5-3.5)mg:1mL。
另一方面，本发明提供了一种用于钙钛矿太阳能电池的钝化层，所述钝化层由根据本发明所述的吸光层钝化剂组合物在吸光层上旋涂形成。
根据本发明所述的钝化层，其中，所述旋涂的工艺参数为：转速为3000-5000rpm，时间为20-40s。
优选地，所述旋涂的工艺参数为：转速为3500-4500rpm，时间为25-35s。
又一方面，本发明还提供了一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池包括根据本发明所述的钝化层。
根据本发明所述的钙钛矿太阳能电池，其中，所述吸光层由包括PbI2粉末、MAI粉末和二甲亚砜以及有机溶剂的吸光层前驱体溶液形成；或者，所述吸光层由包括PbI2粉末、MAI粉末、DMAI粉末和二甲亚砜以及有机溶剂的吸光层前驱体溶液形成。
不希望局限于任何理论，通过在本发明吸光层上形成特定的钝化层，使得所得到的钙钛矿太阳能电池的开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和光电转换效率PCE等各项性能参数进一步改善。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
应理解，本发明的具体实施方式仅用于阐释本发明的精神和原则，而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明的技术方案作出各种改动、替换、删减、修正或调整，这些等价技术方案同样落于本发明权利要求书所限定的范围。
在本发明中，如另有说明，所有百分比为重量百分比。
氟掺杂氧化锡(FTO)玻璃表面电阻为10Ωsq-1(尺寸2.5cm×2.5cm)。将FTO玻璃依次使用洗涤剂、自来水、去离子水、丙酮和乙醇超声清洗2次，每次15min。使用前，将清洗干净的FTO玻璃移至紫外臭氧室(UVO)中处理15min。
将平均粒径5-25nm的氧化镍纳米颗粒分散于体积比3:1的去离子水：异丙醇混合溶剂中，氧化镍纳米颗粒与混合溶剂的重量体积比为20mg:1mL，搅拌30min；然后使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到氧化镍分散液。
将氧化镍分散液旋涂在FTO玻璃上；转速为2500rpm，时间为30s，得到沉积空穴传输层的FTO玻璃。无需退火处理，将其移至氮气手套箱中，备用。
实施例1
合成MAI粉末：在0℃条件下，将30mL甲胺(40wt％乙醇溶液)和15mL氢碘酸(57wt％水溶液)混合搅拌2h，得到混合溶液。将混合溶液在60℃下旋蒸2h，除掉多余反应物和溶剂。将得到的MAI粉末使用无水乙醚洗涤3次，再使用无水乙醇重结晶。移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到MAI粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
合成PbI2粉末：将12.42g Pb(NO3)2和12.45g KI分别溶于60mL去离子水中，得到铅盐溶液和碘化钾溶液。二者混合得到黄色PbI2沉淀。使用去离子水和无水乙醇各离心3次。将黄色PbI2沉淀移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到PbI2粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
制备吸光层前驱体溶液：将2305mg的PbI2粉末、794.9mg的MAI粉末以及390.6mg的二甲亚砜溶解于3.16mL DMF中，搅拌10min；使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到吸光层前驱体溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
首先，将吸光层前驱体溶液在65℃放置1.5h，得到老化的吸光层前驱体溶液。然后，将老化的吸光层前驱体溶液旋涂在沉积空穴传输层的FTO玻璃上；转速为4000rpm，时间为40s。无水乙醚作为反溶剂，第32s时滴加0.8mL反溶剂，随后得到透明复合膜，后者先在65℃条件下加热1min再在100℃条件下加热15min，得到沉积钙钛矿吸光层薄膜和空穴传输层的FTO玻璃。
将2-氨基二苯醚溶解于氯苯中，得到3mg/mL的氯苯溶液。将氯苯溶液旋涂在冷却的沉积钙钛矿吸光层薄膜和空穴传输层的FTO玻璃上；转速为4000rpm，时间为30s，在80℃条件下加热5min，得到沉积的钝化层。
随后在钝化层上蒸镀厚度为20nm的C60层。
将2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲啰啉溶解于异丙醇中，得到2.5mg/mL的溶液。使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到阻挡层溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
将阻挡层溶液旋涂在C60层上，转速为4000rpm，时间为40s。
最后，在阻挡层上蒸镀厚度为150nm的Au电极。
比较例1
合成MAI粉末：在0℃条件下，将30mL甲胺(40wt％乙醇溶液)和15mL氢碘酸(57wt％水溶液)混合搅拌2h，得到混合溶液。将混合溶液在60℃下旋蒸2h，除掉多余反应物和溶剂。将得到的MAI粉末使用无水乙醚洗涤3次，再使用无水乙醇重结晶。移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到MAI粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
合成PbI2粉末：将12.42g Pb(NO3)2和12.45g KI分别溶于60mL去离子水中，得到铅盐溶液和碘化钾溶液。二者混合得到黄色PbI2沉淀。使用去离子水和无水乙醇各离心3次。将黄色PbI2沉淀移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到PbI2粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
制备吸光层前驱体溶液：将2305mg的PbI2粉末、794.9mg的MAI粉末以及390.6mg的二甲亚砜溶解于3.16mL DMF中，搅拌10min；使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到吸光层前驱体溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
首先，将吸光层前驱体溶液在65℃放置1.5h，得到老化的吸光层前驱体溶液。然后，将老化的吸光层前驱体溶液旋涂在沉积空穴传输层的FTO玻璃上；转速为4000rpm，时间为40s。无水乙醚作为反溶剂，第32s时滴加0.8mL反溶剂，随后得到透明复合膜，后者先在65℃条件下加热1min再在100℃条件下加热15min，得到沉积钙钛矿吸光层薄膜和空穴传输层的FTO玻璃。
随后在钙钛矿吸光层薄膜上蒸镀厚度为20nm的C60层。
将2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲啰啉溶解于异丙醇中，得到2.5mg/mL的溶液。使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到阻挡层溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
将阻挡层溶液旋涂在C60层上，转速为4000rpm，时间为40s。
最后，在阻挡层上蒸镀厚度为150nm的Au电极。
实施例2
合成MAI粉末：在0℃条件下，将30mL甲胺(40wt％乙醇溶液)和15mL氢碘酸(57wt％水溶液)混合搅拌2h，得到混合溶液。将混合溶液在60℃下旋蒸2h，除掉多余反应物和溶剂。将得到的MAI粉末使用无水乙醚洗涤3次，再使用无水乙醇重结晶。移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到MAI粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
合成DMAI粉末：在室温条件下，将30mL二甲胺(40wt％乙醇溶液)和25mL氢碘酸(57wt％水溶液)混合搅拌2h，得到混合溶液。将混合溶液在70℃下旋蒸2h，除掉多余反应物和溶剂。将得到的DMAI粉末使用无水乙醚洗涤3次，再使用无水乙醇和乙酸乙酯(体积比3:1)重结晶。移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到DMAI粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
合成PbI2粉末：将12.42g Pb(NO3)2和12.45g KI分别溶于60mL去离子水中，得到铅盐溶液和碘化钾溶液。二者混合得到黄色PbI2沉淀。使用去离子水和无水乙醇各离心3次。将黄色PbI2沉淀移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到PbI2粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
制备吸光层前驱体溶液：将2305mg的PbI2粉末、715.4mg的MAI粉末、86.5mg的DMAI粉末以及390.6mg的二甲亚砜溶解于3.16mL DMF中，搅拌10min；使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到吸光层前驱体溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
首先，将吸光层前驱体溶液在65℃放置1.5h，得到老化的吸光层前驱体溶液。然后，将老化的吸光层前驱体溶液旋涂在沉积空穴传输层的FTO玻璃上；转速为4000rpm，时间为40s。无水乙醚作为反溶剂，第32s时滴加0.8mL反溶剂，随后得到透明复合膜，后者先在65℃条件下加热1min再在100℃条件下加热15min，得到沉积钙钛矿吸光层薄膜和空穴传输层的FTO玻璃。
将2-氨基二苯醚溶解于氯苯中，得到3mg/mL的氯苯溶液。将氯苯溶液旋涂在冷却的沉积钙钛矿吸光层薄膜和空穴传输层的FTO玻璃上；转速为4000rpm，时间为30s，在80℃条件下加热5min，得到沉积的钝化层。
随后在钝化层上蒸镀厚度为20nm的C60层。
将2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲啰啉溶解于异丙醇中，得到2.5mg/mL的溶液。使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到阻挡层溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
将阻挡层溶液旋涂在C60层上，转速为4000rpm，时间为40s。
最后，在阻挡层上蒸镀厚度为150nm的Au电极。
比较例2
合成MAI粉末：在0℃条件下，将30mL甲胺(40wt％乙醇溶液)和15mL氢碘酸(57wt％水溶液)混合搅拌2h，得到混合溶液。将混合溶液在60℃下旋蒸2h，除掉多余反应物和溶剂。将得到的MAI粉末使用无水乙醚洗涤3次，再使用无水乙醇重结晶。移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到MAI粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
合成DMAI粉末：在室温条件下，将30mL二甲胺(40wt％乙醇溶液)和25mL氢碘酸(57wt％水溶液)混合搅拌2h，得到混合溶液。将混合溶液在70℃下旋蒸2h，除掉多余反应物和溶剂。将得到的DMAI粉末使用无水乙醚洗涤3次，再使用无水乙醇和乙酸乙酯(体积比3:1)重结晶。移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到DMAI粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
合成PbI2粉末：将12.42g Pb(NO3)2和12.45g KI分别溶于60mL去离子水中，得到铅盐溶液和碘化钾溶液。二者混合得到黄色PbI2沉淀。使用去离子水和无水乙醇各离心3次。将黄色PbI2沉淀移至真空干燥箱中，60℃下真空干燥24h，得到PbI2粉末，装瓶并移至氮气手套箱中，备用。
制备吸光层前驱体溶液：将2305mg的PbI2粉末、715.4mg的MAI粉末、86.5mg的DMAI粉末以及390.6mg的二甲亚砜溶解于3.16mL DMF中，搅拌10min；使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到吸光层前驱体溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
首先，将吸光层前驱体溶液在65℃放置1.5h，得到老化的吸光层前驱体溶液。然后，将老化的吸光层前驱体溶液旋涂在沉积空穴传输层的FTO玻璃上；转速为4000rpm，时间为40s。无水乙醚作为反溶剂，第32s时滴加0.8mL反溶剂，随后得到透明复合膜，后者先在65℃条件下加热1min再在100℃条件下加热15min，得到沉积钙钛矿吸光层薄膜和空穴传输层的FTO玻璃。
随后在钙钛矿吸光层薄膜上蒸镀厚度为20nm的C60层。
将2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-邻菲啰啉溶解于异丙醇中，得到2.5mg/mL的溶液。使用0.22μm的聚醚砜滤膜过滤，得到阻挡层溶液。整个过程均在氮气手套箱中进行。
将阻挡层溶液旋涂在C60层上，转速为4000rpm，时间为40s。
最后，在阻挡层上蒸镀厚度为150nm的Au电极。
性能表征
分别测量实施例1和比较例1，以及实施例2和比较例2所得钙钛矿太阳能电池的J-V曲线，并据此确定开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和光电转换效率PCE。J-V曲线使用数字源表Keithley 2400在模拟太阳光源AM1.5G(100mW·cm-2)条件下测量；测量之前使用标准硅电池校准。器件的有效面积由黑色掩膜版限定，为0.09cm2。
结果参见表1。
表1
| 样品 | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) | PCE(％) |
| 实施例1 | 1.02 | 19.2 | 77 | 13.8 |
| 比较例1 | 0.97 | 17.6 | 75 | 12.5 |
| 实施例2 | 1.04 | 20.3 | 79 | 15.3 |
| 比较例2 | 0.99 | 19.7 | 76 | 13.9 |
由表1可以看出，与比较例相比，本发明实施例所得钙钛矿太阳能电池的开路电压Voc、短路电流Jsc、填充因子FF和光电转换效率PCE各项性能参数均要更高一些。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于钙钛矿太阳能电池的钝化层，所述钝化层由吸光层钝化剂组合物在吸光层上旋涂形成；所述吸光层钝化剂组合物包括吸光层钝化剂和有机溶剂；其特征在于，所述吸光层钝化剂选自式2的化合物，
2.根据权利要求1所述的钝化层，其中，所述吸光层钝化剂选自式3的化合物，
3.根据权利要求1所述的钝化层，其中，所述有机溶剂选自氯苯。
4.根据权利要求1所述的钝化层，其中，所述吸光层钝化剂与所述有机溶剂的重量体积比为(1-5)mg:1mL。
5.根据权利要求1所述的钝化层，其中，所述旋涂的工艺参数为：转速为3000-5000rpm，时间为20-40s。
6.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池包括根据权利要求1-5任一项所述的钝化层。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿太阳能电池，其中，所述吸光层由包括PbI2粉末、MAI粉末和二甲亚砜以及有机溶剂的吸光层前驱体溶液形成；或者，所述吸光层由包括PbI2粉末、MAI粉末、DMAI粉末和二甲亚砜以及有机溶剂的吸光层前驱体溶液形成。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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