[发明专利]一种改性高效钙钛矿太阳能电池的刮涂结构及制备方法

说明书

本发明属于材料科学与工程能源器件优化技术领域，公开了一种改性高效钙钛矿太阳能电池的刮涂结构及制备方法，使用NiOx代替PDEOT:PSS进行太阳能电池器件的界面优化，并旋涂至导电玻璃上；在钙钛矿的前驱液中加入二甲基亚砜和二甲基甲酰并调控DMSO和DMF占比，进行钙钛矿溶液溶剂优化；将钙钛矿溶液，在环境温度下用刮涂的方法涂布太阳能电池器件上；依次涂布富勒烯衍生物BCPM嵌段共聚物BCP，镀上银电极，制备出钙钛矿太阳能电池PSC。本发明通过钙钛矿溶液中溶剂的改性，空穴传输层界面材料的改变，从理论上提高了钙钛矿太阳能电池的效率；同时制备方法采用的是刮刀涂布，大大提高了制备速度，和操作便捷性。

技术领域

本发明属于材料科学与工程能源器件优化技术领域，尤其涉及一种改性高效钙钛矿太阳能电池的刮涂结构及制备方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

先清洗好导电基底，之后在氮气氛围的手套箱中(氧气含量≤5.0ppm，水含量≤0.1ppm)进行操作，将空穴传输材料例如：高分子聚合物的水溶液 PDEOT:PSS以一定速度旋涂至导电基底上，使用DMF或其他溶剂配好钙钛矿溶液，依次将钙钛矿溶液，电子传输材料如富勒烯衍生物PCBM,界面修饰材料如二氧化钛(TiO₂)以一定速度旋涂至上述空穴传输薄膜层上，最后蒸镀金属电极。

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSC)由于其经济优势和灵活性,自首次开发以来就引起了广泛的关注。到目前为止，实验室钙钛矿型太阳能电池的效率已经提高到23％以上。遗憾的是，这种高效率的器件通常是通过在手套箱中使用旋涂的方法来制备的。对于未来的商业应用而言，在空气环境条件下制备PSC 是必然的趋势，并且迫切需要找到能够满足大规模生产的要求的旋涂替代品。与旋涂法相比，刮刀涂布法是一种简单、经济、有效的前驱体溶液流变特性和干燥动力学利用技术。特别地，刮刀涂布技术已经得到广泛的应用，因为刮刀涂布技术能够适合在室温环境条件下生产，并且容易转变为其他连续印刷技术，例如卷对卷印刷。

此外，DMF作为最常用的溶剂来溶解钙钛矿前驱体溶液。但是DMF沸点接近与钙钛矿薄膜的稳定相转变温度，钙钛矿前驱体溶液的蒸发过程开始于刮刀涂布条件下基板的环境温度的缺点，这种工艺的结果导致了钙钛矿薄膜的不均匀性。由于二甲基亚砜(DMSO)与Pb的配位能力较强，沸点较高，因此从前驱体中去除二甲基亚砜(DMSO)比DMF更困难。因此，为了获得均一结晶度高质量的钙钛矿薄膜，我们考虑将DMSO作为DMF基前驱体溶液的添加剂，以延迟结晶过程。因此，在室温(RH～45％，RT～25℃)下，采用刮刀涂布法可制得高质量的钙钛矿薄膜，PSC效率可从10.98％提高到13.80％。

另一方面，利用刮刀涂布技术制备的大多数倒置平面异质结PSC是基于 PEDOT：PSS作为空穴传输层(HTL)。然而，PEDOT：PSS由于其高酸度和吸湿性，不利于器件在环境条件下的长期稳定性。因此，采用不同的空穴传输材料来代替PEDOT：PSS在反相PSC中，如有机材料PTAA、TAPC和无机材料 NiOx。对于NiOx，其带隙宽、透射率好、化学稳定性好、且与钙钛矿的能级匹配，便于空穴收集和电子阻挡。此外，NiOx薄膜与钙钛矿前驱液良好的润湿性不仅可以节省原料，而且有利于PSC的大规模生产。采用NiOx代替PEDOT:PSS 作为空穴传输层,在室温(RH～45％,RT～25℃)下采用刮刀涂布法制备钙钛矿薄膜, 便于满足工业生产的要求。该工艺可以获得高度取向的钙钛矿层，晶粒尺寸甚至可以达到200nm。PSC效率由原来的13.83％进一步提高到15.34％。该技术将结合热致相分离过程获得快速成型的新工艺。它具有利用快速成型技术，在低温室中形成所需模型，然后再利用热致相分离法将材料和溶剂相分离的优点。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有高效率钙钛矿太阳能电池(PSC)的制造技术局限于手套箱中的旋涂工艺。