一种双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池的制作方法

本发明属于太阳能电池，具体涉及一种双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池。

背景技术：

1、钙钛矿太阳能电池作为新能源领域的研究热点，自2009年首次被报道以来，其光电转换效率从初始的3.8％迅猛增长至26.81％，展现了前所未有的发展潜力。这种增长主要归功于有机-无机杂化金属卤化物钙钛矿材料的独特光电性质，如宽光谱吸收、高载流子迁移率及长载流子扩散长度。然而，尽管进步显著，钙钛矿太阳能电池的商业化进程仍面临严峻挑战，尤其是器件的性能和稳定性问题。

2、钙钛矿薄膜中的表面和晶界缺陷是影响电池性能的主要障碍之一。这些缺陷作为非辐射复合中心，导致光生载流子的大量损失，从而降低了电池的光电转换效率和长期稳定性。为了改善这一状况，当前研究中广泛采用钝化策略来减少或钝化这些缺陷，有机分子钝化剂因其能有效消除钙钛矿薄膜表面及晶界的深能级缺陷，已成为提高电池性能的主流手段。然而，现有的钝化剂大多只能针对某一类型的缺陷进行钝化，对器件性能的整体提升效果有限，迫切需要一种能够同时解决多种缺陷问题的新型钝化策略。

3、此外，与传统半导体相比，钙钛矿材料的化学键特性(离子性)决定了其表面处理需采取不同于共价半导体的策略。当前，钙钛矿钝化手段主要包括：使用阴离子或金属阳离子钝化点缺陷、利用特定小分子钝化有机阳离子或卤化物空位、以及通过宽带隙材料钝化电荷传输层与钙钛矿层间的界面缺陷。尽管这些方法在一定程度上提高了钙钛矿层的稳定性，但仍然无法全面解决钙钛矿太阳能电池面临的表面特性不良、载流子传输受阻和界面复合等问题。

4、随着钙钛矿材料在光电转换领域的迅速发展，尽管已经取得了显著的光电转换效率提升，但如何克服钙钛矿薄膜中的表面缺陷、界面复合损失以及环境稳定性问题，仍然是制约钙钛矿太阳能电池商业化应用的关键瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池聚焦于通过多功能界面工程策略，同时通过深入研究钙钛矿材料的表面物理化学特性，提出、设计并应用的一种双效修饰剂钝化系统。其具有钝化钙钛矿薄膜的表面缺陷和改善电荷传输层与钙钛矿层之间的界面兼容性，以此来增强器件的光电性能和稳定性，为推动钙钛矿太阳能电池的实际应用提供新的解决方案。

2、本发明的第二目的在于提供一种双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法技术旨在通过引入创新的双效钝化策略，显著提升电池的光电转换效率及长期工作稳定性，特别是针对环境恶劣条件下的性能表现。

3、本发明通过以下技术方案实现：

4、一种双效修饰剂在钝化钙钛矿太阳能电池制备方法中的应用，所述双效修饰剂为(1h-苯并咪唑-2-基)-甲胺盐酸盐。

5、一种双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

6、s1、基底层：选取电池基底层并进行清洁；

7、s2、氧化锡电子传输层：

8、溶液的配置：分别配置含有10mm甲脒碘化物、20mm甲脒碘化物的氧化锡水溶液，然后加入去离子水，在室温下搅拌混合至溶液透明，获得氧化锡溶液；

9、旋涂：在固定后的基底层表面滴加10mm的氧化锡溶液并启动一次旋涂处理；随后滴入20mm的氧化锡溶液并启动二次旋涂处理，旋涂完成后进行退火处理，完成氧化锡电子传输层的制备；

10、s3、钙钛矿吸收层：

11、制备钙钛矿前驱体溶液：按照相应的重量份选取碘化铅、甲脒碘化物、甲胺溴化物、溴化铅、碘化铯和甲基碘化物混合后溶于有机溶剂中，室温搅拌后，获得摩尔浓度1.6m的(fapbi3)0.93(mapbbr3)0.05(cspbi3)0.02钙钛矿溶液；

12、制备钙钛矿吸收层：首先在s2制备得到的氧化锡电子传输层上滴加钙钛矿前驱体溶液，在1000rpm下旋转10～13s、然后在4500rpm下旋转30～35s；在4500rpm旋转结束前18～20s时滴加反溶剂旋涂后进行退火处理，完成钙钛矿吸收层的制备；

13、s4、单效钝化层：称取聚乙烯亚胺粉末溶解后制备得到质量浓度为1～5mg/ml的聚乙烯亚胺溶液；

14、将获得的聚乙烯亚胺溶液均匀涂覆在所述s3制备的钙钛矿吸收层表面上，完成单效钝化层的制备；

15、s5、双效修饰剂钝化层：称取(1h-苯并咪唑-2-基)-甲胺盐酸溶解于异丙醇中，获得质量浓度为0.1～10mg/ml的(1h-苯并咪唑-2-基)-甲胺盐酸溶液；

16、将制备好(1h-苯并咪唑-2-基)-甲胺盐酸溶液滴加在所述s4制备的单效钝化层上，使用5000转/min的速率旋涂3～5s后进行退火处理，完成双效修饰剂钝化层的制备；

17、s6、空穴传输层：称取spiro-ometad、磷酸三丁酯、双三氟甲基磺酰亚胺锂和双三氟甲烷磺酰亚胺盐，溶于氯苯中，氮气环境下搅拌2～2.5h后，获得spiro-ometad前驱液；

18、将spiro-ometad前驱液旋涂在s5制备的双效修饰剂钝化层上，完成空穴传输层的制备；

19、s7、背电极-金电极：在1×10-5pa真空下利用真空镀膜装置蒸镀金作为背电极，完成背电极的制备；

20、获得双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池。

21、上述该双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池的制备方法中各步骤的设计机理为：

22、1、钙钛矿材料特性与表面缺陷钝化：钙钛矿太阳能电池的核心在于高效的钙钛矿吸光层，该层能够吸收宽波段的太阳光并产生光生载流子。然而，钙钛矿材料的表面和晶界处存在大量的缺陷，这些缺陷成为载流子复合的中心，降低了光电转换效率。上述采用的(1h-苯并咪唑-2-基)-甲胺盐酸盐双效修饰剂，其分子设计具有特定的官能团，能够与钙钛矿表面的缺陷有效结合，形成稳定的化学键，从而钝化这些缺陷，减少非辐射复合，提升光生载流子的收集效率。

23、2、界面优化与电荷传输效率提升：除了钝化作用，双效修饰剂还能优化钙钛矿层与电子传输层/空穴传输层之间的界面接触。通过其独特的分子结构，该修饰剂能够在界面处形成一层有序的过渡层，改善能级对齐，减少界面处的能垒，促进电荷的有效传输。这样既减少了界面复合，又增强了电荷的提取效率，进而提升填充因子和短路电流密度。

24、3、环境稳定性增强：双效修饰剂的设计还考虑到了对环境因素的防护，如水汽和氧气的侵入。该修饰剂形成的保护层能有效隔离外界环境对钙钛矿层的侵蚀，防止水分引起的结构分解和氧化，从而显著增强电池的长期稳定性，尤其是在高温高湿、温度循环和连续光照等恶劣条件下。

25、4、综合优化策略：采用的双效修饰剂策略是一种集成优化方法，它不仅解决单一的问题点，而是通过一个分子系统同时解决钝化、界面优化和稳定性增强等多个问题，体现了从分子设计到器件性能全面提升的系统性创新思路。这种综合策略是基于对钙钛矿材料物理化学性质的深刻理解，以及对电池工作原理的精准把握，从而在不增加复杂制造工艺的前提下，实现性能的显著飞跃.

26、上述使用spiro-ometad作为空穴传输材料，spiro-ometad的能级与钙钛矿层的能级需要良好匹配，以确保空穴的有效抽取。这意味着，spiro-ometad的最高占据分子轨道(homo)应与钙钛矿的导带边缘对齐，以便空穴能顺利从钙钛矿层转移到htl，避免在界面处产生大量复合损失。前驱体溶液主要是作为钙钛矿的吸光层，spiro-ometad与后面配置的钙钛矿前驱体溶液之间存在着紧密的功能联系与工艺协同，它们共同决定了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率、稳定性以及长期性能。

27、作为优选地，所述s1中，电池基底层为铟锡氧化物导电玻璃基底。

28、作为优选地，所述s2中，氧化锡水溶液与去离子水的混合体积比为1:6；

29、所述滴加100～120μl的10mm的氧化锡溶液并以转速为4500rpm下启动一次旋涂，处理45～50s；

30、所述滴加100～120μl的10mm的氧化锡溶液并以转速为4500rpm下启动二次旋涂，处理45～50s。

31、上述设置的两步旋涂法的含义：在钙钛矿层的制备中，两步旋涂通常涉及首先以较低的转速和较短的时间进行初步涂布，以确保溶液均匀覆盖基底；随后，在不中断旋转的情况下，或在短暂停止后，提高转速并继续旋涂一段时间。这第二步往往伴随有溶剂蒸发的加速，有助于形成更加致密和均匀的薄膜。例如，实验中先在1000rpm下旋转10秒，然后在4500rpm下旋转30秒，并在旋涂接近结束时滴加反溶剂氯苯，这样的操作即为典型的两步旋涂过程。上述该两步旋涂强调的是通过两个不同条件的旋涂步骤来优化成膜过程，而不仅仅是速度的快慢。高速旋涂通常是为了促进溶剂快速挥发，形成更紧密的膜层，而低速旋涂可能是为了更好地铺展溶液，确保均匀覆盖。

32、作为优选地，所述s3中，各原料的重量比为碘化铅：甲脒碘化物：甲胺溴化物：溴化铅：碘化铯：甲基碘化物＝735.756mg、255.8mg、8.95mg、29.36mg、8.31mg、27mg；

33、所述反溶剂为氯苯；

34、所述有机溶剂是由n,n-二甲基甲酰胺与二甲基亚砜体积比为4:1配置而成；

35、所述室温搅拌时长为2～2.5h；

36、在100～150℃下进行所述退火20～25min处理。

37、作为优选地，所述s5中，在80～120℃下退火0～15min。

38、作为优选地，所述s6中，在3500rpm下旋涂20～25s。

39、作为优选地，所述s7中，蒸镀65～75nm厚度的金。

40、一种双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池，由所述的制备方法获得。

41、作为优选地，包括按序设置的导电透明基底层、氧化锡电子传输层、钙钛矿吸收层、钝化层、空穴传输层和背电极，所述钝化层中包含双效修饰剂钝化层。

42、与现有技术相比，本发明至少具有如下技术效果：

43、本发明提供了一种双效修饰剂钝化钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池聚焦于通过多功能界面工程策略，同时通过深入研究钙钛矿材料的表面物理化学特性，提出、设计并应用的一种双效修饰剂钝化系统。其具有钝化钙钛矿薄膜的表面缺陷和改善电荷传输层与钙钛矿层之间的界面兼容性，以此来增强器件的光电性能和稳定性，为推动钙钛矿太阳能电池的实际应用提供新的解决方案。

44、该太阳能电池中，1、双效钝化机制：传统钝化层如聚乙烯亚胺(pei)主要侧重于单一性能的改善，而本发明的双效修饰剂不仅提供了有效的表面钝化，减少载流子的表面复合损失，还通过其独特的分子结构增强了电子传输层与钙钛矿层之间的相互作用，实现了对电池内部电荷传输路径的优化。这种双管齐下的策略，有效提升了电池的开路电压、短路电流密度及填充因子，从而在整体上提高了光电转换效率。

45、2、环境适应性增强：本发明的双效修饰剂钝化层在设计上充分考虑了恶劣环境因素，如高温高湿、极端温度变化以及长期光照或暗存条件。通过精心设计的分子结构，该钝化层能够有效抵御水分渗透和温度诱导的结构退化，表现出卓越的环境稳定性。经过实验验证数据预期显示，即使在严苛条件下，双效钝化层电池的性能衰减远低于传统pei钝化层电池，验证了其在实际应用中的可靠性优势。

46、3、制备工艺的优化：为了充分发挥双效修饰剂的效能，本发明详细规定了从ito导电玻璃基底清洁到最终金电极沉积的每一步制备工艺，确保了钝化层与各功能层之间的良好匹配与整合。特别是双效钝化层的旋涂工艺，通过精确控制旋涂速度、溶液浓度以及退火条件，实现了钝化层的均匀涂覆与高效固化，保证了电池的整体性能提升。

47、综上所述，本发明的技术方案通过引入创新的双效修饰剂钝化策略，不仅在实验室条件下显著提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，达到25.86％，较传统pei钝化层提高了约1.11％，而且在一系列严格的环境稳定性测试中，展示出远超常规钝化层的长期可靠性和环境适应性，为钙钛矿太阳能电池的实际应用和商业化进程提供了重要的技术支持和理论依据。