基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池

本发明属于新能源材料，具体涉及一种以光异构分子螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]作为界面钝化层材料钝化无机钙钛矿吸光层制备的高效稳定的全无机钙钛矿太阳能电池。

背景技术：

1、全无机铯铅卤钙钛矿材料(cspbx3,x＝cl,br,i或混合卤)，以良好的高温稳定性(≥400℃)、高吸光系数、长载流子扩散长度以及可调节的光学带隙，受到了研究人员的广泛关注。自2015年首次报道以来，全无机钙钛矿太阳能电池发展迅速，在不到10年的时间里，光电转化效率(pce)从2.9％(cspbi3)提高到超过21％。这些进展表明，器件效率不再是限制钙钛矿太阳能电池(pscs)工业化的主要因素。钙钛矿的软晶格特性就像一把双刃剑，在给予缺陷容忍度的同时，也隐藏着潜在的不稳定因素。因此，越来越多的研究者开始关注pscs器件的稳定性问题，如湿度、热应力和光照等。特别是，光稳定性是pscs最具挑战性的问题之一。

2、无机钙钛矿太阳电池器件在实际运行中，光浸泡的影响是动态的和不可避免的，持续暴露在辐射下会诱发大量缺陷(vi、ii、vpb等)。光照会削弱钙钛矿材料的离子键，最终导致严重的离子迁移，加速钙钛矿的分解，对器件的稳定性产生不利影响。为了解决稳定性问题，获得高质量的无机钙钛矿薄膜，人们开发了各种策略，如薄膜加工方法、组件工程、表面改性等。然而，这些报道的策略是静态的，它们的改性是在薄膜器件制造过程中完成的，这对光致缺陷的持续钝化影响有限。同时这些预冗余钝化位点也可能是缺陷的起始位点，具有不利影响。缺陷的产生是动态的，特别是太阳光谱中的强紫外(uv)光容易破坏钙钛矿材料，产生不良缺陷(vi、ii、vpb等)。长期的紫外线照射严重影响器件的性能和稳定性，因此我们迫切需要一种动态的、长期可持续的钝化策略。

技术实现思路

1、针对无机钙钛矿太阳电池现存的问题，本发明的目的是提供一种基于动态循环钝化的高效稳定无机钙钛矿太阳电池。

2、针对上述目的，本发明采用的太阳能电池为pin型结构，包含从下到上依次堆叠的透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、光异构分子钝化层、空穴传输层、金属电极。其中，所述光异构分子钝化层是将螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)](简称为螺苯并吡喃)通过旋涂的方式沉积在钙钛矿吸收层上后退火形成。

3、上述螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]在阳光下会发生sp和pmc形态交替，结构转变机理如下所示，从而实现钙钛矿吸收层的动态循环钝化，提高钙钛矿太阳电池的稳定性。

4、

5、上述光异构分子钝化层的制备方法为：将螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]溶于异丙醇中，制成钝化层溶液，然后在氮气氛围下，将钝化层溶液旋涂在钙钛矿吸收层上，在40～90℃下退火1～15min。所述钝化层溶液中，螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]的浓度为0.1～3mg/ml，优选螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]的浓度为0.5～1mg/ml。所述旋涂转速为2000～8000rpm/min，旋涂时间为30～80s。

6、上述钙钛矿吸光层的厚度为150～900nm，其是将钙钛矿前驱体溶液通过旋涂的方式沉积在电子传输层上后退火形成的钙钛矿结构的cspbi3-xbrx钙钛矿薄膜，x的取值为0～3；其中，所述钙钛矿前驱体溶液为cspbi3-xbrx溶液，其是将hpbi3、csi和pbbr2按摩尔比为2.85:3.00:0.15溶解在dmso与dmf体积比为1:9的混合溶剂中，室温搅拌12h获得；所述旋涂转速为2000～5000rpm/min，时间为30～50s；所述退火的温度为100～210℃、时间为5～40min。

7、上述空穴传输层的厚度为50～150nm，其是将空穴传输层材料通过旋涂的方式沉积在光异构分子钝化层上形成；所述空穴传输层材料为2,2’,7,7’-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴(spiro-ometad)、nio、cui、cuscn、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](ptaa)中任意一种；所述旋涂的转速为1000～6000rpm/min、时间为30～50s。

8、上述电子传输层的厚度为20～100nm，其是将电子传输层材料通过水热沉积或者旋涂在透明导电衬底上后退火形成；其中，所述电子传输层的材料为tio2、sno2、zno中任意一种；所述水热沉积的温度为50～90℃，所述旋涂的转速为2000～4000rpm/min、时间为20～40s，所述退火的温度为60～210℃、时间为10～50min。

9、上述金属电极选自金电极、银电极、铜电极中任意一种。

10、上述透明导电衬底选自fto导电玻璃、ito导电玻璃、透明导电柔性塑料中任意一种。

11、本发明的有益效果如下：

12、本发明首次在钙钛矿吸光层表面引入光异构分子螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]，其能够有效抑制钙钛矿表面卤素离子的迁移，实现卤化物钙钛矿表面缺陷的动态循环钝化。利用光异构化保护层螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]在阳光下sp和pmc形态交替，当开环pmc形态下组装到cspbi3-xbrx表面时，钝化相互作用导致c-o-…pb2+和c-n+…i-键的形成，可以制造出高效稳定的全无机钙钛矿太阳电池，特别是在紫外线和太阳光下的稳定性，最终获得了21.73％的光电转化效率，这是报道的该类型太阳电池的最高效率。光异构化保护层的建立不仅提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性，而且为无机钙钛矿表面缺陷的连续钝化提供了新的途径。

技术特征：

1.一种基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述全无机钙钛矿太阳电池包含从下到上依次堆叠的透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿吸收层、光异构分子钝化层、空穴传输层、金属电极；

2.根据权利要求1所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述光异构分子钝化层的制备方法为：将螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]溶于异丙醇中，制成钝化层溶液，然后在氮气氛围下，将钝化层溶液旋涂在钙钛矿吸收层上，在40～90℃下退火1～15min。

3.根据权利要求2所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述钝化层溶液中，螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]的浓度为0.1～3mg/ml。

4.根据权利要求2所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述钝化层溶液中，螺[1,3,3-三甲基吲哚-(8'-甲氧基苯并二氢吡喃)]的浓度为0.5～1mg/ml。

5.根据权利要求2所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述旋涂转速为2000～8000rpm/min，旋涂时间为30～80s。

6.根据权利要求1所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述钙钛矿吸光层的厚度为150～900nm，其是将钙钛矿前驱体溶液通过旋涂的方式沉积在电子传输层上后退火形成的钙钛矿结构的cspbi3-xbrx钙钛矿薄膜，x的取值为0～3；其中，所述钙钛矿前驱体溶液为cspbi3-xbrx溶液，其是将hpbi3、csi和pbbr2按摩尔比为2.85:3.00:0.15溶解在dmso与dmf体积比为1:9的混合溶剂中，室温搅拌12h获得；所述旋涂转速为2000～5000rpm/min，时间为30～50s；所述退火的温度为100～210℃、时间为5～40min。

7.根据权利要求1所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述空穴传输层的厚度为50～150nm，其是将空穴传输层材料通过旋涂的方式沉积在光异构分子钝化层上形成；所述空穴传输层材料为2,2’,7,7’-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴、nio、cui、cuscn、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]中任意一种；所述旋涂的转速为1000～6000rpm/min、时间为30～50s。

8.根据权利要求1所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述电子传输层的厚度为20～100nm，其是将电子传输层材料通过水热沉积或者旋涂在透明导电衬底上后退火形成；其中，所述电子传输层的材料为tio2、sno2、zno中任意一种；所述水热沉积的温度为50～90℃，所述旋涂的转速为2000～4000rpm/min、时间为20～40s，所述退火的温度为60～210℃、时间为10～50min。

9.根据权利要求1所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述金属电极选自金电极、银电极、铜电极中任意一种。

10.根据权利要求1所述的基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，其特征在于：所述透明导电衬底选自fto导电玻璃、ito导电玻璃、透明导电柔性塑料中任意一种。

技术总结本发明公开了一种基于动态循环钝化的高效稳定全无机钙钛矿太阳电池，以具有两种构型的光异构分子螺[1,3,3‑三甲基吲哚‑(8'‑甲氧基苯并二氢吡喃)]作为界面钝化层材料钝化无机钙钛矿吸光层，不仅能有效地抑制卤素离子的迁移，还能实现光生缺陷的动态钝化，使太阳能电池具有良好的光稳定性，在连续紫外线照射226h和一次标准阳光照射326h下，光稳定性分别为初始性能的94.45％和90.78％。同时，经过螺[1,3,3‑三甲基吲哚‑(8'‑甲氧基苯并二氢吡喃)]钝化处理后，电池获得了21.73％的冠军功率转换效率，是同类太阳能电池的最高值。技术研发人员：田庆文,汪志腾,王秀娟受保护的技术使用者：陕西师范大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15