一种基于苯乙基磷酸调控应力的无机钙钛矿太阳电池及其制备方法

本发明属新能源领域，具体涉及一种基于苯乙基磷酸调控应力的无机钙钛矿太阳电池及其制备方法。

背景技术：

1、无机钙钛矿太阳电池因其优异的热稳定性而备受关注。然而，无机钙钛矿为达成良好的结晶度与光电特性，通常需采用高于有机-无机杂化钙钛矿的退火温度。较高的退火温度会在材料内部形成显著的温度梯度，而残余应力与温度梯度呈直接正相关关系，温度梯度越大，材料内部产生的残余应力越显著。同时，无机钙钛矿自身存在离子尺寸失配的固有结构特性，这一特性会引发内部晶格的固有应变，使得无机钙钛矿在退火后往往承受较大的残余拉伸应变。这种由应变效应引起的结构异质性不仅破坏了钙钛矿晶格的完整性，还引入了本征的不稳定性。

2、残余应变的存在对器件性能产生了多方面的负面影响。首先，应变会影响钙钛矿材料的能带结构，导致界面处的能级排列发生偏移，从而阻碍光生载流子的有效分离与输运。其次，残余应变与材料内部的缺陷密度密切相关，卤素空位的形成能在压缩应变下升高，而在拉伸应变下降低。这意味着拉伸应变会降低缺陷形成的能量壁垒，导致缺陷密度增加，进而加剧非辐射复合损失，最终制约器件的光电转换效率。

3、综上所述，由热膨胀系数不匹配及固有晶格畸变所引发的残余应变，是影响无机钙钛矿太阳电池效率与稳定性的关键因素。如何有效调控或消除这种残余应力，降低由此带来的非辐射复合损失，是无机钙钛矿太阳电池亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于苯乙基磷酸调控应力的无机钙钛矿太阳电池制备方法。通过将配体分子苯乙基磷酸引入无机钙钛矿太阳电池的制备过程中，解决了现有技术中机钙钛矿太阳电池非辐射复合损失的技术问题。

2、本发明在无机钙钛矿薄膜的退火过程中，苯乙基磷酸分子结构中磷酸基团具有强配位能力，能够与钙钛矿晶界或表面处欠配位的铅离子形成稳定的配位键，从而有效钝化铅缺陷，减少缺陷态密度，缓解局部应力集中。同时，苯乙基磷酸中的烷基链可通过分子构象的微调缓解因晶格失配或热应力积累产生的残余应力，抑制应力诱导的晶格畸变与离子迁移，最终实现高效稳定的无机钙钛矿太阳电池。

3、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

4、第一方面，本发明提供了一种无机钙钛矿吸光层，是将配体材料溶解于钙钛矿前驱体溶液中，在氮气环境中使用一步旋涂法沉积，并在空气环境中退火得到；所述的配体分子为苯乙基磷酸，在无机钙钛矿前驱体溶液中的浓度为0.5 ~ 3.0 mg/ml。

5、第二方面，本发明提供了一种基于苯乙基磷酸调控应力的无机钙钛矿太阳电池，所述无机钙钛矿太阳电池的结构从下到上依次堆叠为：导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、缓冲层和金属电极；所述的钙钛矿吸光层为本发明第一方面提供的无机钙钛矿吸光层，其厚度为300 ~ 900 nm。

6、第三方面，本发明提供了以上所述的基于苯乙基磷酸调控应力的无机钙钛矿太阳电池制备方法，所述方法包括：

7、（1）获得导电基底，在导电基底上旋涂空穴传输层溶液，退火制备得到空穴传输层；

8、（2）将含有配体分子苯乙基磷酸的无机钙钛矿前驱体溶液旋涂在空穴传输层上，退火后制备得到钙钛矿吸光层；

9、（3）将电子传输层前驱体溶液旋涂在钙钛矿吸光层，制备电子传输层；

10、（4）在电子传输层上旋涂制备缓冲层；

11、（5）在缓冲层上制备金属电极；

12、其中，配体分子苯乙基磷酸在无机钙钛矿前驱体溶液中的浓度为0.5 ~ 3.0 mg/ml。

13、进一步的，步骤（1）所述的导电基底为ito导电玻璃、透明导电柔性塑料、晶硅衬底、铜铟镓硒衬底等中任意一种；

14、进一步的，步骤（1）所述的空穴传输层为sams、niox、ptaa、p3ht、p3ct、x55、x60任意一种或多种材料；旋涂转速为1000 ~ 5000 rpm/min，时间为20 ~ 40 s；退火条件为：在环境空气中100～150℃退火10 ~ 30 min；

15、进一步的，步骤（2）所述的钙钛矿前驱体溶液溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯、n-甲基吡咯烷酮中任意一种或多种的混合溶液，溶质为cspbixbr3-x；所述溶质的浓度为0.6 ~ 1.2 mol/l；

16、进一步的，步骤（2）所述的钙钛矿吸光层是由钙钛矿前驱体溶液旋涂后退火制备得到，旋涂转速为1000 ~ 3000 rpm/min，时间为70～120 s；退火条件为：在环境空气中150～210℃退火5 ~ 10 min；

17、进一步的，步骤（3）所述的电子传输层为pc61bm、c60任意一种或两种材料；旋涂转速为1000 ~ 5000 rpm/min，时间为20 ~ 40 s；

18、进一步的，步骤（4）所述的缓冲层为bcp、zno、tpbi任意一种；旋涂转速为3000 ~6000 rpm/min，时间为20 ~ 40 s；

19、进一步的，步骤（5）所述的金属电极为通过真空蒸发的方法沉积60 ~ 100 nm的金、银、铜中的任一种电极。

20、第四方面，本发明还提供了一种配位分子在无机钙钛矿太阳电池中的应用，该配位分子为苯乙基磷酸，将该配体分子溶解于钙钛矿前驱体溶液中，在氮气环境中使用一步旋涂法沉积，并在空气环境中退火得到无机钙钛矿吸光层，基于该配位分子释放残余应力并钝化缺陷，实现高质量钙钛矿薄膜，用于以下结构器件：

21、a.无机或有机-无机杂化钙钛矿单结太阳电池；

22、b.无机或有机-无机杂化钙钛矿/晶硅叠层太阳电池；

23、c.无机或有机-无机杂化钙钛矿/有机叠层太阳电池；

24、d.无机或有机-无机杂化钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池；

25、e.全钙钛矿叠层太阳电池；

26、f.全无机钙钛矿叠层太阳电池。

27、本发明的优点和积极效果：

28、本发明通过将苯乙基磷酸引入钙钛矿前驱体溶液中来调节薄膜应力，并制备无机钙钛矿太阳电池。本发明发现，苯乙基磷酸兼具化学缺陷钝化与物理应力缓冲双重功能。首先，其分子结构中的磷酸基团具备强配位能力，能够与钙钛矿晶界或表面处存在的欠配位铅离子形成稳定的配位键，从而有效钝化铅缺陷，显著降低薄膜内部的缺陷态密度，并缓解因缺陷引发的局部应力集中。其次，苯乙基磷酸中的柔性烷基链可通过分子构象的微调，缓解由于晶格失配或热应力积累所产生的残余应力，进而抑制应力诱导的晶格畸变与离子迁移，共同提升无机钙钛矿薄膜的质量，最终实现高效稳定的无机钙钛矿太阳电池。

1.一种无机钙钛矿吸光层，其特征在于，该无机钙钛矿吸光层是将配体分子溶解于钙钛矿前驱体溶液中，在氮气环境中使用一步旋涂法沉积，并在空气环境中退火得到；所述的配体分子为苯乙基磷酸，在无机钙钛矿前驱体溶液中的浓度为0.5 ~ 3.0 mg/ml。

2.一种基于苯乙基磷酸调控应力的无机钙钛矿太阳电池，其特征在于，所述无机钙钛矿太阳电池的结构从下到上依次堆叠为：导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层、缓冲层和金属电极；所述的钙钛矿吸光层为权利要求1中所述的无机钙钛矿吸光层，其厚度为300 ~ 900 nm。

3.权利要求2所述基于苯乙基磷酸调控应力的无机钙钛矿太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述旋涂转速为1000 ~ 5000 rpm/min，时间为30～150 s。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火条件为：在空气环境中100 ~210℃，退火5 ~ 30 min。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液的溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、γ-丁内酯、n-甲基吡咯烷酮中任意一种或多种的混合溶液，溶质为cspbixbr3-x；所述溶质的浓度为0.6 ~ 1.2 mol/l。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述导电基底为fto导电玻璃、ito导电玻璃、透明导电柔性塑料、晶硅衬底、铜铟镓硒衬底中任意一种；所述空穴传输层为sams、niox、ptaa、p3ht、p3ct、x55、x60中任意一种或多种材料；所述电子传输层为pc61bm、c60中任意一种或两种材料；缓冲层为bcp、zno、tpbi中任意一种；所述金属电极的材料为au、ag、cu、al中任意一种。

8.一种配位分子在无机钙钛矿太阳电池中的应用，其特征在于，该配位分子为苯乙基磷酸，将该配体分子溶解于钙钛矿前驱体溶液中，在氮气环境中使用一步旋涂法沉积，并在空气环境中退火得到无机钙钛矿吸光层，基于该配位分子释放残余应力并钝化缺陷，实现高质量钙钛矿薄膜，用于以下结构器件：