一种基于CTB埋底界面钝化层的CsPbBr3钙钛矿太阳能电池及其应用

本发明属于新材料和新能源，具体涉及一种基于ctb埋底界面钝化层的cspbbr3钙钛矿太阳能电池及其应用。

背景技术：

1、应对全球气候变化与能源短缺的双重挑战，推动能源结构向绿色低碳转型已成为国际社会的广泛共识。为实现碳达峰和碳中和的战略目标，大力发展可再生能源迫在眉睫。太阳能作为重要的清洁能源之一，其高效利用主要依托太阳能电池技术。然而，单晶硅电池需以纯度高达99.999%以上的单晶硅棒为原料，生产成本高昂且制备工艺复杂，规模化推广面临较大挑战。相比之下，钙钛矿太阳能电池凭借其材料成本低廉（约为单晶硅电池成本的二分之一）、制备工艺简单等突出优势，在学术界和产业界引起了广泛关注。经过仅十余年的快速发展，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的认证光电转换效率已达到27.3 %，展现出与传统单晶硅电池相媲美的巨大潜力。研究进一步表明，钙钛矿光伏将逐步替代晶硅与薄膜光伏，在气候减缓目标更为严格、成本下降更快速的情景下，其占新增光伏装机量的比例有望达到55.2%，这进一步彰显了该技术的广阔应用前景。

2、然而，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池在湿、热、光、氧等环境条件下的长期稳定性不足，成为制约其大规模产业化应用的关键瓶颈。相比之下，全无机钙钛矿太阳能电池避免了易分解的有机阳离子的使用，在热稳定性和环境适应性方面具有显著优势。其中，cspbbr3钙钛矿太阳能电池凭借其优异的热稳定性和湿度稳定性，可在无封装条件下稳定工作100天以上，在高温高湿环境中表现出卓越的长期运行能力。此外，cspbbr3电池采用碳电极替代昂贵的贵金属电极（金、银等），进一步降低了制造成本，增强了其商业化竞争力。近年来，研究人员通过优化钙钛矿薄膜制备工艺、界面工程、组分工程、光谱工程及应变调控等多种策略，持续提升器件效率。目前，基于cspbbr3的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已突破11%，展现出巨大的性能提升空间。

3、在钙钛矿太阳能电池的n-i-p（正式）结构中，电子传输层（etl）的材料选择对器件性能具有决定性影响。氧化锡（sno2）凭借其高电子迁移率、高透光率和良好的界面兼容性，已成为最广泛使用的电子传输层材料之一。然而，sno2在制备和应用中仍面临多重技术挑战。首先，sno2量子点之间的范德华相互作用导致纳米颗粒在溶液中自发团聚并沉淀，影响了分散体的均匀性和成膜质量。其次，sno2量子点表面存在大量羟基基团，在退火过程中，表面羟基容易脱附，形成未配位的sn位点（氧空位缺陷），这些缺陷会作为载流子复合中心，严重阻碍电子传输并加剧非辐射复合。特别是在埋底（buried）界面处，sno2层的缺陷还会诱导钙钛矿薄膜中缺陷的生成，进而影响其结晶形貌和器件的长期稳定性。研究表明，通过界面修饰策略可有效降低sno2薄膜中的氧空位缺陷，从而显著提升电子提取和传输效率。

4、cspbbr3钙钛矿太阳能电池的埋底界面（通常为电子传输层sno2与钙钛矿层之间的界面）主要存在以下几类缺陷：sno2表面的氧空位及悬挂键、钙钛矿层中未配位的铅离子（pb2+）以及卤素空位。这些缺陷主要源于溶液法制备过程中的非理想成核与结晶：sno2薄膜在低温溶胶-凝胶或旋涂退火时易产生氧空位；随后沉积pbbr2及cspbbr3时，因溶剂挥发速率不均、退火温度波动以及晶格失配应力，导致界面处pb2+未能被完全配位，同时溴离子缺失形成空位。这些缺陷成为非辐射复合中心，阻碍载流子传输，降低器件效率与稳定性。

5、因此，如何稳定sno2量子点的分散状态，降低表面氧空位缺陷浓度，并改善sno2/钙钛矿界面的能级匹配与载流子传输，已成为提升钙钛矿太阳能电池光电转换效率与长期稳定性的关键科学问题。

技术实现思路

1、基于以上技术的不足，本发明的目的在于提供了一种基于ctb埋底界面钝化层的cspbbr3钙钛矿太阳能电池及其应用。本发明通过在电子传输层与钙钛矿层之间引入2-氯-5（三氟甲基）苯甲醇（ctb）作为埋底界面修饰层，有效改善界面特性，利用ctb分子中各官能团发挥协同作用，最终实现化学强锚定并填补电子传输层（etl）氧空位；钝化界面缺陷；优化界面能级排列，促进电荷提取，同时降低钙钛矿成核速率，诱导形成晶粒大、结构致密的薄膜。基于上述设计，本发明所述太阳能电池兼具较高的光电转换效率和优异的长期稳定性，对于推进钙钛矿太阳能电池的产业化具有实际应用价值与经济前景。

2、为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种基于ctb埋底界面钝化层的cspbbr3钙钛矿太阳能电池，所述cspbbr3钙钛矿太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

4、（1）将sncl2和硫脲溶解于去离子水中，充分搅拌反应，进行过滤后离心处理，弃去沉淀，将所得上清液过滤，得sno2量子点溶液；

5、（2）将所述sno2量子点溶液和fto导电玻璃分别进行预热，将预热后的sno2量子点溶液旋涂在预热后的fto导电玻璃上，退火后得到fto/sno2基底；

6、（3）将ctb溶液旋涂在所述的fto/sno2基底上，得到经过ctb修饰的埋底界面层，退火后得到fto/sno2/ctb基底；

7、（4）将所述的fto/sno2/ctb基底和pbbr2溶液分别进行预热，将预热后的pbbr2溶液旋涂在fto/sno2/ctb基底上，退火得pbbr2薄膜；

8、（5）在所述的pbbr2薄膜上旋涂csbr溶液，退火，以旋涂-退火的模式进行重复操作，最后一次退火结束后得cspbbr3钙钛矿层；

9、（6）在所述的cspbbr3钙钛矿层涂覆碳浆以制备电极层，退火得到全无机cspbbr3钙钛矿太阳能电池。

10、进一步的，所述步骤（1）中的sncl2和硫脲的摩尔比为1~1.5：1，sncl2的摩尔浓度为0.10 mol /l~0.15 mol/l。

11、进一步的，所述步骤（2）中sno2量子点溶液的预热温度为75~90oc，预热时间为10~20 min。

12、进一步的，所述步骤（2）中fto导电玻璃的预热温度为75~90 oc，预热时间为4~8min。

13、进一步的，所述步骤（3）中ctb溶液的质量体积浓度为0.1~0.5 mg/ml，所述ctb溶液的溶剂为异丙醇。

14、进一步的，所述ctb溶液的质量体积浓度优选为0.25 mg/ml。

15、进一步的，所述步骤（2）和步骤（3）中旋涂的参数包括：转速为1500~2500 rpm，加速度为800~1200 rpm/s，旋涂时间为20~40 s。

16、进一步的，所述步骤（4）中pbbr2溶液的浓度为0.3~0.5 mg/ml，所述pbbr2溶液的溶剂为n-n二甲基甲酰胺，所述步骤（4）中fto/sno2/ctb基底的预热参数为80~95 oc、3~8min。

17、进一步的，所述步骤（5）中旋涂-退火的重复次数为5~10次。

18、进一步的，所述步骤（4）和（5）中旋涂的参数为1500~2500 rpm，25~40s。

19、进一步的，所述步骤（5）中csbr溶液的浓度为0.1~0.5 mg/ml，溶剂为无水甲醇。

20、进一步的，所述步骤（6）中制备碳电极后，退火温度为85~95 ℃，10~20 min。

21、本发明还提供了所述的cspbbr3钙钛矿太阳能电池在制备太阳能电池组件、光伏发电器件、便携式供能器件或电站中的应用。

22、进一步的，所述全无机cspbbr3钙钛矿太阳能电池的开路电压为1.40～1.80v，短路电流为6.5 ma·cm-2～8 ma·cm-2，填充因子为0.70～0.90，光电转换效率为9%～11.5%。

23、与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

24、1、通过在埋底界面引入ctb修饰层，ctb分子中各官能团协同发挥作用：羟基（-oh）与sno2表面的羟基发生脱水缩合反应，实现化学锚定及填补氧空位；氯（-cl）官能团与钙钛矿层中未配位的铅离子（pb2+）形成配位键，钝化界面缺陷；三氟甲基（-cf3）用于调控界面能级排列以促进电荷提取，同时通过减缓钙钛矿成核速率，诱导形成大晶粒、致密的薄膜。基于上述结构，本发明所述的太阳能电池具有较高的光电转换效率和良好的长期稳定性，对推动钙钛矿太阳能电池的产业化具有实用价值和经济价值。

25、2、本发明所述的经ctb修饰后的全无机cspbbr3钙钛矿太阳能电池的器件结构为fto/sno2/ctb/cspbbr3/carbon，通过ctb官能团的协同作用，有效修复埋底界面的缺陷，钝化sno2电子传输层内部及钙钛矿层中的界面缺陷。所形成的分子桥具有高效的载流子传输能力，有利于电子传输层对电荷的提取，从而实现了高效率的cspbbr3钙钛矿太阳能电池。该电池的光电转换效率可达11.4 %，开路电压可达1.757 v。在25 oc、80 % 湿度的环境条件下，以及在80 oc、0 % 湿度的热环境中，器件经过4200小时以上仍能保持接近90 %的初始光电转换效率，表现出良好的稳定性。上述性能对于推动钙钛矿太阳能电池的产业化进程具有重要的实用价值和经济价值。

26、3、本发明通过在cspbbr3钙钛矿太阳能电池引入ctb埋底界面修饰层，利用其官能团的协同作用，有效修复埋底界面的缺陷，钝化sno2电子传输层内部及钙钛矿层中的界面缺陷。所形成的分子桥具有高效的载流子传输能力，有利于电子传输层对电荷的提取，从而实现了高效率的cspbbr3钙钛矿太阳能电池。

27、4、本发明通过在电子传输层（etl）与钙钛矿层之间引入ctb作为埋底界面修饰层，有效改善埋底界面特性。ctb分子中各官能团发挥协同作用：其羟基（-oh）与sno2表层羟基发生脱水缩合反应，实现化学强锚定并补偿氧空位；氯原子（-cl）与钙钛矿中未配位的铅离子（pb2+）形成配位键，从而钝化界面缺陷；三氟甲基（-cf3）则用于优化界面能级排列，促进电荷提取，同时降低钙钛矿成核速率，诱导形成晶粒大、结构致密的薄膜。