一种基于苯膦酸衍生物钝化的宽带隙钙钛矿太阳能电池

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种基于苯膦酸衍生物钝化的宽带隙钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、钙钛矿型太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，由于钙钛矿半导体具有优异的光电性能，包括优异的载流子扩散长度、强的光吸收、低缺陷密度和溶液加工性能，被认为是很有前途的下一代光伏材料，属于第三代太阳能电池。近年来钙钛矿太阳能电池因为其光电转化效率飞速提升而备受瞩目，这类材料不仅原材料成本低，而且生产工艺也非常简单。窄带隙铅基钙钛矿太阳能电池(lpsc)是指使用带隙小于1.7ev的钙钛矿材料作为活性材料的电池，在过去十年中，其光电转换效率(pce)已从3.8％迅速提升至超过26％，接近其理论极限效率(shockley-queisser极限)33％。作为下一代高效太阳能电池的重要技术，使用带隙在1.7ev至2.3ev范围的钙钛矿材料的宽带隙钙钛矿太阳能电池已被广泛应用于钙钛矿-硅叠层器件和全钙钛矿叠层器件中，通过优化宽带隙钙钛矿材料的光谱吸收特性，可以显著提高该类电池的光电转换效率，并为突破sq理论极限提供了潜在的技术路径。然而，尽管宽带隙钙钛矿太阳能电池在理论上具有显著优势，其在实际应用中仍面临一系列技术瓶颈，特别是在器件性能的可重复性和效率稳定性方面。

2、目前，宽带隙钙钛矿太阳能电池中常用的作为空穴传输层的自组装单分子膜(self-assembled monolayers,sams)材料在实际应用中表现出显著的局限性。尽管这些材料在界面工程中能够有效调控能级排列、降低界面缺陷密度，并优化电荷传输路径，但其在覆盖性和取向性方面普遍表现较差。这些问题直接影响了钙钛矿薄膜的成膜质量和界面稳定性，从而限制了钙钛矿光伏器件的光电转换效率和长期运行稳定性的进一步提升。此外，在钙钛矿薄膜的退火制备过程中以及后续的储存过程中，碘化铅(pbi2)杂质的不可避免析出也对器件性能造成了严重影响。这些析出的pbi2往往在钙钛矿薄膜的上界面聚集，显著降低了钙钛矿的结晶质量，造成界面处的载流子传输受阻。界面缺陷的增加和载流子复合的加剧进一步削弱了器件的效率表现。同时，pbi2杂质的聚集还可能诱导其他有害的化学反应，进一步加速器件的性能退化。

3、2024年，李昌治组(huang y,yan k,wang x,et al.high-efficiency invertedperovskite solar cells via in situ passivation directed crystallization[j].advanced materials,2024,36(41):2408101.)将meo-2pacz等sams材料掺入窄带隙铅基钙钛矿溶液中，促进了具有垂直取向的晶粒生成，提高了结晶大小的均匀性，但将该方法应用至宽带隙钙钛矿材料后中并未发现明显的效率提升，且由于sams材料结构中仅有一个膦酸基团，因此与钙钛矿中pb2+等离子的结合作用较弱，钝化不明显。2024年，李炫华组(he x,chen h,yang j,et al.enhancing hole transport uniformity for efficientinverted perovskite solar cells through optimizing buried interface contactsand suppressing interface recombination[j].angewandte chemie,2024,136(52):e202412601.)将含有双膦酸基团的p-xpa引入niox/me-4pacz与钙钛矿中间充当界面层，平整了底界面并优化了界面接触，同时p-xpa的双膦酸基团和钙钛矿中的pb2+可以发生螯合作用并与fa+形成氢键，有效抑制底界面的非辐射复合损失，而该方法仅在sams层与钙钛矿界面处起到了钝化作用，对于钙钛矿内部结晶以及上界面调控效果不明显。

4、因此，在宽带隙钙钛矿太阳能电池的sams与钙钛矿界面处以及钙钛矿体内等多方面进行调控，以提高器件性能的方法，亟待发掘。

技术实现思路

1、基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种基于苯膦酸衍生物钝化的宽带隙钙钛矿太阳能电池，旨在通过在sams与钙钛矿界面处以及钙钛矿体内等多方面进行调控，以提高钝化效果，从而提升钙钛矿光伏器件的效率及稳定性，加速钙钛矿太阳能电池的实用化进展。

2、本发明为实现目的，采用如下技术方案：

3、一种基于苯膦酸衍生物钝化的宽带隙钙钛矿太阳能电池，为叠层结构，从下至上依次为基底(透明基底或硅基底)-透明电极-空穴传输层-钙钛矿活性层-电子传输层-顶电极，其特点在于：在所述钙钛矿活性层中加入有苯膦酸衍生物。

4、进一步地，所述空穴传输层采用自组装单分子膜sams材料的溶液制得。在所述空穴传输层中也加入有苯膦酸衍生物，或者，在所述空穴传输层和钙钛矿活性层之间还设置有苯膦酸衍生物的中间层。通过在sams中加入苯膦酸衍生物，或者将苯膦酸衍生物设置在sams层与钙钛矿活性层之间，可以提高钙钛矿材料的浸润性，使钙钛矿材料可以更加均匀的成膜，并可以提高电池的稳定性。

5、进一步地，所述苯膦酸衍生物为1,4-苯二膦酸、联苯-4,4-二膦酸、1,3,5-苯-三对苯基膦酸中的至少一种。

6、进一步地，在用于制备钙钛矿活性层的钙钛矿前驱体溶液中，苯膦酸衍生物的加入浓度为0.5～2mg/ml。

7、进一步地，在用于制备空穴传输层的自组装单分子膜材料的溶液中，苯膦酸衍生物的加入浓度为0.3～1mg/ml。

8、进一步地，用于制备钙钛矿活性层的钙钛矿材料为(cs,fa,ma)pb(i,br)3。

9、进一步地，在所述钙钛矿活性层和电子传输层之间还设置有钝化层，具体可选用乙二胺溴(edabr2)

10、与已有技术相比，本发明能够实现高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能电池，原因如下：

11、1.本发明在钙钛矿前驱体溶液中引入苯膦酸衍生物作为添加剂，制备了高结晶质量的钙钛矿薄膜，有效减少了钙钛矿体内与界面处的非辐射复合缺陷，延长了载流子寿命，从而提高了钙钛矿太阳能电池的效率。

12、2.本发明在钙钛矿前驱体溶液中引入苯膦酸衍生物作为添加剂，由于添加剂与钙钛矿中pb2+的螯合作用，以及膦酸基团与fa+等有机阳离子产生的氢键，减少了钙钛矿与载流子传输层的界面缺陷，提升了载流子传输速率，从而提高了钙钛矿太阳能电池的效率。同时，由于添加剂与钙钛矿中pb2+的螯合作用有效抑制了钙钛矿表面pbi2的析出，从而抑制了钙钛矿的进一步分解，提高了器件的稳定性。

13、3.本发明通过进一步在sams中加入苯膦酸衍生物，或者将苯膦酸衍生物设置在sams层与钙钛矿活性层之间，可以提高sams的取向性和均匀性，从而改善钙钛矿前驱体溶液在sams层的浸润性，进而制备出结晶度更好的钙钛矿薄膜。

14、4.本发明的添加剂策略同样可以应用于钙钛矿硅叠层电池中提升器件效率，具有广阔的应用前景。