一种基于生物碱添加剂的钙钛矿太阳能电池

1.本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种基于生物碱添加剂的钙钛矿太阳能电池。


背景技术：

2.有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于高的电荷载流子迁移率和低成本的制备工艺，一直受到国内外广泛的关注。在过去的十几年里，钙钛矿太阳能电池的实验室光电转化效率已经从3.8％提升到25.7％，有望替代硅基太阳能电池成为下一代最具潜力的光伏产品。然而，钙钛矿太阳能电池尚未达到理论效率31％。其中，薄膜质量和缺陷(配位不足的铅离子和碘离子空位缺陷)是限制其效率和稳定性提升的重要因素之一。因此，提高薄膜质量和抑制钙钛矿表面和晶界的缺陷，可以有效的提高钙钛矿太阳能电池的性能。研究表明，具有多官团的聚合物有机分子添加剂可以有效改善表面的薄膜质量和钝化表面和晶界的缺陷，从而促进钙钛矿太阳能电池的整体性能的提升。然而，聚合物有机分子本身较大绝缘性会导致钙钛矿薄膜差的载流子传输，不确定的分子质量不利于钙钛矿器件的可重复性，且复杂的合成过程会增加制备成本，这进一步限制它们在未来商业化的应用。离子液体添加剂具有较高的离子导电性和较高的热稳定性被广泛应用于钙钛矿太阳能电池中，然而，有毒溶剂的掺入不符合绿色发展理念。因此，需要开发一种易于获得、低成本制备、无毒和具有出色的缺陷钝化能力的有机分子来显著提升钙钛矿太阳能电池的光伏性能和长期稳定性。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于生物碱添加剂的钙钛矿太阳能电池，通过在钙钛矿前驱体溶液引入生物碱添加剂，提高薄膜结晶度、增大晶粒尺寸、抑制缺陷的产生、减少界面电容效应，从而提高钙钛矿太阳能电池的性能。
4.本发明为实现目的，采用如下技术方案：
5.一种基于生物碱添加剂的钙钛矿太阳能电池，所述钙钛矿太阳能电池是在透明导电衬底上逐层设置有电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层和金属电极层，其特点在于：形成所述钙钛矿吸收层的钙钛矿前驱体溶液中加入有生物碱添加剂。
6.进一步地，所述生物碱添加剂为黄嘌呤、鸟嘌呤、次黄嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶、5-氮杂胞嘧啶、胸腺嘧啶、乙酰胞嘧啶、6-尿嘧啶、2-氨基-4-三氟甲基嘧啶、5-硝基-6-甲基尿嘧啶、2-甲基-4,6-二氯嘧啶、2,4,6-三氯-5-甲基嘧啶和8-氮杂腺嘌呤中的至少一种。
7.进一步地，所述生物碱添加剂在钙钛矿前驱体溶液中的浓度为1-3mg/ml。
8.在本发明的方法中：生物碱分子是自然界本身存在的分子，也是dna和rna的组成成分之一，价格便宜且易获得。同时也是药物的中间体和升高白细胞的药物，具有广泛的应用领域。本发明将含有不同官能团的生物碱分子(如腺嘌呤和胞嘧啶)引入钙钛矿前驱体溶液中，用来改善钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性。研究结果表明，羰基官能团能与前驱液
的[pbx6]
4-相互作用，减少成核位点，增大晶粒尺寸，提高薄膜质量。此外，具有高电子密度羰基官能团与配位不足的pb
2
形成更强的配位作用，同时也进一步增强氨基与碘离子之间的氢键作用，有效抑制碘离子的迁移，减少碘离子空位缺陷，实现可忽略的迟滞效应。而咪唑官能团可以与嘧啶环形成π-π*共轭作用，促进空穴的传输，提升钙钛矿太阳能电池的性能。本发明的方法，有利于推进高效稳定钙钛矿太阳能电池的产业化的进程。
[0009]
进一步地：所述透明导电衬底为ito或fto。所述电子传输层为tio2、sno2或zno。所述钙钛矿吸收层为具有abx3结构的钙钛矿薄膜，其中a为甲胺(ma)、甲脒(fa)、铯(cs)和铷(ru)中的至少一种，b为二价铅(pb)、二价锡(sn)和二价锶(sr)中的至少一种，x为卤族元素氯(cl)、溴(br)、碘(i)中的至少一种。所述空穴传输层为p3ht、ptaa和spiro-ometad材料中的一种。所述金属电极层为au、ag、al或cu。
[0010]
本发明的有益效果体现在：
[0011]
1、本发明通过在钙钛矿前驱体溶液中引入生物碱添加剂，增大了作为光吸收层的钙钛矿薄膜的晶粒尺寸、减少了晶界数目、抑制了缺陷的产生、减少了界面电容效应，从而解决了钙钛矿太阳能电池效率低下稳定性不高的问题，提高钙钛矿太阳能电池的性能。且本发明的方法原料成本低、易于获得、无毒性，电池制备方法简单，易于实现工业化生产。
[0012]
2、本发明所选的生物碱添加剂，是在氨基嘧啶环上含有咪唑环或者c＝o官能团，能够有效的钝化配位不足的pb
2
和i-空位缺陷，增大晶粒尺寸和减少缺陷密度，对钙钛矿太阳能电池效率的提升具有明显的影响。
附图说明
[0013]
图1为本发明种基于生物碱添加剂的钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
[0014]
图2为腺嘌呤和胞嘧啶的化学结构示意图；
[0015]
图3为本发明实施例1所得钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压曲线；
[0016]
图4为本发明实施例2所得钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压曲线。
具体实施方式
[0017]
为了进一步理解本发明，下面结合具体实例对本发明进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
[0018]
实施例1
[0019]
本实施例的钙钛矿太阳能电池，是以ito导电玻璃作为透明导电衬底，在其上逐层设置有sno2电子传输层的、(fapbi3)
0.85
(mapbbr3)
0.15
钙钛矿吸收层、spiro-ometad空穴传输层和au电极层，且形成钙钛矿吸收层的钙钛矿前驱体溶液中加入有生物碱添加剂腺嘌呤。
[0020]
本实施例的钙钛矿太阳能电池按如下步骤制得：
[0021]
1)采用透明ito导电玻璃作为衬底、并用清洗剂、超纯水、异丙醇对其进行超声波清洗。
[0022]
2)配置两份质量浓度为2.5wt.％的sno2水溶液，分别加入nh4cl至其浓度为1和2mg/ml，获得传输层溶液a和传输层溶液b。然后先将100μl传输层溶液a滴在ito导电玻璃上，并以4000r.p.m.的转速旋涂15s，再滴加100μl传输层溶液b，继续以4000r.p.m.的转速旋涂15s，90℃退火1h，形成sno2电子传输层。
[0023]
3)称量fai 219.3mg、pbi2587.8 mg、mabr 25.2mg和pbbr282.6 mg溶于dmf(800μl)与dmso(200μl)的混合溶剂中，55℃加热搅拌30min，得到淡黄色澄清的1.5m混合有机阳离子(fapbi3)
0.85
(mapbbr3)
0.15
)钙钛矿前驱体溶液。
[0024]
在钙钛矿前驱体溶液中加入腺嘌呤至其浓度为2mg/ml，然后取50μl滴加在sno2电子传输层上，先以1000r.m.p.的转速旋涂11s，再以4600r.m.p.的转速旋涂36s，然后在第二个过程结束前的15s滴加120μl的反溶剂氯苯，100℃退火30-40min，获得钙钛矿吸收层。
[0025]
4)将40μl spiro-ometad溶液滴加在钙钛矿吸收层上，并以3000r.p.m.的转速旋涂30s，形成spiro-ometad空穴传输层。
[0026]
5)在spiro-ometad空穴传输层上沉积80nm au作为金属电极。
[0027]
为进行对比，本实施例还制备了钙钛矿前驱体溶液中未加入腺嘌呤的太阳能电池样品，两样品的电流密度-电压曲线如图3所示，可以看出，加入腺嘌呤后电池的短路电流、开路电压、填充因子、最高效率分别由23.43ma cm-2
、1.15v、74.42％、20.07％提升至23.68ma cm-2
、1.18v、75.80％、21.17％。
[0028]
实施例2
[0029]
本实施例的钙钛矿太阳能电池，是以ito导电玻璃作为透明导电衬底，在其上逐层设置有sno2电子传输层的、(fapbi3)
0.85
(mapbbr3)
0.15
钙钛矿吸收层、spiro-ometad空穴传输层和au电极层，且形成钙钛矿吸收层的钙钛矿前驱体溶液中加入有生物碱添加剂胞嘧啶。
[0030]
本实施例钙钛矿太阳能电池的制备方法与实施例1相同，区别仅在于将步骤3)中的腺嘌呤改为胞嘧啶。
[0031]
为进行对比，本实施例还制备了钙钛矿前驱体溶液中未加入腺嘌呤的太阳能电池样品，两样品的电流密度-电压曲线如图4所示，可以看出，加入胞嘧啶后电池的短路电流、开路电压、填充因子、最高效率分别由23.43ma cm-2
、1.15v、74.42％、20.07％提升至23.83ma cm-2
、1.19v、77.64％、22.07％。
[0032]
以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，并非对本发明保护范围的限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，对任何熟悉本技术领域的技术人员来说，其依然可以对上述实施例所描述的技术方案进行变化或替换，但是凡在本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。