一种基于1,4-二碘四氟苯掺杂空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

1.本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于1,4-二碘四氟苯掺杂空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池具有制造成本低，转换效率高，可制备柔性器件等优点，受到了研究人员的广泛关注，其中以二氧化锡(sno2)为电子传输层，以2,2
′
,7,7
′‑
四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9
′‑
螺二芴(spiro-ometad)为空穴传输层的正型钙钛矿太阳能电池以其高效率得到广泛研究。纯spiro-ometad的本征电导率和载流子迁移率很低，因此需要掺杂剂来提升其电学性能。目前常用的掺杂剂为双三氟甲磺酰亚胺锂(litfsi)和4-叔丁基吡啶(tbp)，尽管tbp的加入可以促进litfsi的解离，控制薄膜的形貌，增加载流子等效迁移率，但是tbp一方面会和碘化铅生成复合物诱导钙钛矿腐蚀性分解，增加钙钛矿薄膜的缺陷密度，另一方面会将氧化的spiro-ometad分子还原，损坏spiro-ometad空穴传输层的电荷传输能力，从而降低了钙钛矿太阳能电池的性能。在本发明中利用1,4-二碘四氟苯与tbp之间形成的卤素键对tbp进行化学束缚，并将其掺杂到spiro-ometad空穴传输层中，从而抑制了tbp对钙钛矿的腐蚀和对spiro-ometad的去掺杂作用，减少了钙钛矿层的缺陷密度，实现了稳定且良好的载流子传输，进而提升了钙钛矿太阳能电池的性能。


技术实现要素：

[0003]
本发明目的是提供一种基于1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
[0004]
本发明所述的一种基于1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：从下至上依次由氧化铟锡(ito)导电玻璃衬底、sno2电子传输层、钙钛矿活性层、苯乙基碘化铵表面钝化层、1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层和ag电极组成。
[0005]
本发明将1,4-二碘四氟苯掺杂进spiro-ometad空穴传输层中，1,4-二碘四氟苯和spiro-ometad的掺杂剂tbp之间通过卤素键结合，利用这种较强的化学相互作用对tbp进行束缚，从而抑制了tbp和碘化铅以及氧化的spiro-ometad之间的反应，进而抑制了钙钛矿的腐蚀性分解和spiro-ometad的去掺杂，减少钙钛矿层的缺陷密度，稳定了电荷载流子传输，提高了钙钛矿和spiro-ometad薄膜的性能和稳定性，最终提升了钙钛矿太阳能电池的性能。其中，sno2电子传输层的厚度为20～30nm，钙钛矿活性层的厚度为0.8～1.2μm，苯乙基碘化铵表面钝化层的厚度为6～12nm，1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的厚度为200～300nm，ag电极的厚度为80～100nm。
[0006]
本发明所述的一种基于1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
[0007]
1)衬底的清洁处理
[0008]
将ito导电玻璃衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗10～20min，然后用氮气吹干；
[0009]
2)sno2电子传输层的制备
[0010]
将sno2水分散液用去离子水以1：3～5的体积比稀释，稀释后sno2的浓度为2.5～3.75wt％，再以3000～4500rpm的转速静态旋涂在步骤1)得到的ito导电玻璃衬底上20～30s，然后在150～180℃下退火20～30min，从而在ito导电玻璃衬底上得到厚度为20～30nm的sno2电子传输层；静态旋涂是指将溶液滴加到衬底上之后衬底在转台的带动下再开始旋转；
[0011]
3)钙钛矿活性层的制备
[0012]
(a)活性层溶液的制备
[0013]
将645.4～737.6mg碘化铅溶解在1ml n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和二甲基亚砜(dmso)的混合溶剂中，n,n-二甲基甲酰胺(dmf)和二甲基亚砜(dmso)体积比为8～10：1，在500～700rpm的搅拌速度下搅拌15～20h，得到碘化铅溶液；将85～95mg甲脒氢碘酸盐、6～7mg甲基碘化铵和8～10mg甲基氯化铵溶解在1ml异丙醇中，在500～700rpm的搅拌速度下搅拌15～20h，得到有机混合物溶液；
[0014]
(b)钙钛矿活性层的制备
[0015]
将20～30μl碘化铅溶液以1800～2200rpm的转速静态旋涂到sno2电子传输层上20～30s，然后在65～75℃下退火50s～70s，得到碘化铅薄膜；随后，将60～120μl有机混合物溶液以1800～2200rpm的转速动态旋涂到碘化铅薄膜上25～35s，有机混合物与碘化铅发生反应，然后再在140～160℃下退火15～30min得到厚度为0.8～1.2μm的钙钛矿活性层；动态旋涂是指衬底在转台的带动下开始旋转后再将溶液滴加到衬底上；
[0016]
4)苯乙基碘化铵表面钝化层的制备
[0017]
将2～4mg苯乙基碘化铵溶解在1ml异丙醇中，在500～700rpm的搅拌速度下搅拌15～20h，得到苯乙基碘化铵溶液；将苯乙基碘化铵溶液以3000～5000rpm的转速动态旋涂到钙钛矿活性层上30～40s，制备得到厚度为6～12nm的苯乙基碘化铵表面钝化层；
[0018]
5)1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的制备
[0019]
(a)空穴传输层溶液的制备
[0020]
将70～80mg spiro-ometad溶解于1ml氯苯中，在500～700rpm的搅拌速度下搅拌1～2h得到spiro-ometad的原溶液；将500～540mg litfsi溶解在1ml乙腈中，在500～700rpm的搅拌速度下搅拌1～2h得到litfsi的乙腈溶液；将9.2～27.7mg 1,4-二碘四氟苯溶解在1ml tbp中，在500～700rpm的搅拌速度下搅拌1～2h得到1,4-二碘四氟苯的tbp溶液；在1ml spiro-ometad的原溶液中加入17～18μl litfsi的乙腈溶液和28～29μl 1,4-二碘四氟苯的tbp溶液，在500～700rpm的搅拌速度下搅拌10～15h，得到1,4-二碘四氟苯掺杂的空穴传输层溶液；
[0021]
(b)空穴传输层的制备
[0022]
将空穴传输层溶液以3500～4500rpm的转速静态旋涂在苯乙基碘化铵表面钝化层上20～30s，制备得到厚度为200～300nm的1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层；
[0023]
6)ag电极制备
[0024]
在压强为1
×
10-4
～1
×
10-3
pa的条件下，在1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层上蒸镀ag，厚度为80～100nm，生长速度为从而得到本发明所述的基于1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。
附图说明
[0025]
图1：本发明所述的基于1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
[0026]
图2：本发明制备的基于1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池和传统的基于未掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池在光照下的电流密度-电压特性曲线；
[0027]
如图1所示，1为ito导电玻璃衬底，2为sno2电子传输层，3为钙钛矿活性层和苯乙基碘化铵表面钝化层(苯乙基碘化铵表面钝化层的厚度仅为6～12nm)，4为1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层，5为ag电极。
[0028]
如图2所示，在100mw/cm2的太阳光模拟器的光照下测得了电池的电流密度-电压的特性曲线，曲线a为传统器件，曲线b为本发明所述器件。图2说明与传统的钙钛矿太阳能电池相比，本发明制备的电池器件具有明显提高的开路电压、填充因子和转换效率。
具体实施方式
[0029]
实施例1
[0030]
1)衬底的清洁处理
[0031]
将ito导电玻璃衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗15min，然后用氮气吹干；
[0032]
2)sno2电子传输层的制备
[0033]
将商用sno2水分散液用去离子水以1：4的体积比稀释得到sno2水分散液，稀释后sno2的浓度为3wt％；再以4000rpm的转速静态旋涂在步骤1)得到的ito导电玻璃衬底上30s，然后在150℃下退火20min，从而在ito导电玻璃衬底上得到sno2电子传输层，厚度为25nm。
[0034]
3)钙钛矿活性层的制备
[0035]
(a)活性层溶液的制备
[0036]
将691.5mg碘化铅溶解在1ml dmf和dmso体积比为9：1的混合溶剂中，在600rpm的搅拌速度下搅拌18h，得到碘化铅溶液；将90mg甲脒氢碘酸盐，6.39mg甲基碘化铵和9mg甲基氯化铵溶解在1ml异丙醇中，在600rpm的搅拌速度下搅拌18h，得到有机混合物溶液；
[0037]
(b)活性层的制备
[0038]
将碘化铅溶液以2000rpm的转速静态旋涂到sno2电子传输层30s，然后在70℃下退火60s，得到碘化铅薄膜；随后，将100μl有机混合物溶液以2000rpm的转速静态旋涂到碘化铅薄膜上30s，然后在150℃下退火30min形成钙钛矿活性层，厚度为1μm；
[0039]
4)苯乙基碘化铵表面钝化层的制备
[0040]
将3mg苯乙基碘化铵溶解在1ml异丙醇中，在600rpm的搅拌速度下搅拌18h，得到苯乙基碘化铵溶液；将苯乙基碘化铵溶液以4000rpm的转速动态旋涂到钙钛矿活性层上30s，
制备得到厚度为8nm的苯乙基碘化铵表面钝化层；
[0041]
5)1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的制备
[0042]
(a)空穴传输层溶液的制备
[0043]
将72.3mg spiro-ometad溶解于1ml氯苯中，在600rpm的搅拌速度下搅拌1h得到spiro-ometad的原溶液；将520mg litfsi溶解在1ml乙腈中，在600rpm的搅拌速度下搅拌1h得到litfsi的乙腈溶液；将18.5mg 1,4-二碘四氟苯溶解在1ml tbp中，在600rpm的搅拌速度下搅拌1h得到1,4-二碘四氟苯的tbp溶液；在spiro-ometad的原溶液中加入17.6μl litfsi的乙腈溶液和28.5μl 1,4-二碘四氟苯的tbp溶液，在600rpm的搅拌速度下搅拌12h，得到空穴传输层溶液；
[0044]
(b)空穴传输层的制备
[0045]
将空穴传输层溶液以4000rpm的转速静态旋涂在苯乙基碘化铵表面钝化层上30s，制备得到厚度为200nm的1,4-二碘四氟苯掺杂的spiro-ometad空穴传输层；
[0046]
6)ag电极制备
[0047]
在压强为8
×
10-4
pa的条件下，在1,4-二碘四氟苯掺杂的spiro-ometad空穴传输层上蒸镀ag电极，厚度为100nm，生长速度为从而得到本发明所述的基于1,4-二碘四氟苯掺杂spiro-ometad空穴传输层的钙钛矿太阳能电池。