[发明专利]钙钛矿前体组合物、制备钙钛矿膜的方法、钙钛矿膜和钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明涉及钙钛矿前体组合物、制备钙钛矿膜的方法、钙钛矿膜和钙钛矿太阳能电池。本发明涉及一种离子液体(IL)，其包含含有下面组分的钙钛矿前体组合物：钙钛矿前体；和阳离子咪唑衍生物的盐，其中所述咪唑环中两个氮原子中的至少一个连接到带有氰基(‑C≡N)的碳链上。本发明进一步涉及一种具有高稳定性的钙钛矿太阳能电池，其包含使用本发明的钙钛矿前体组合物形成的钙钛矿膜所构成的层。

1.技术领域

本发明涉及钙钛矿前体组合物、制备钙钛矿膜的方法、钙钛矿膜和钙钛矿太阳能电池，更详细地，涉及用于制备潮湿空气稳定的钙钛矿层的钙钛矿前体溶液和沉积钙钛矿层的方法，和涉及使用这样的钙钛矿层所获得的太阳能电池。

2.背景技术

钙钛矿太阳能电池(PSC)已经经历了相当大的新进展，并且主要的改进在于功率转换效率(PCE)。具体地，杂化的有机-无机钙钛矿光收集体(light harvester)属于令人感兴趣的一类材料，其表现出合适的带隙、高吸收系数、长的电荷迁移率和长的扩散长度，并且兼具容易和低成本加工方法。有机-无机卤化铅钙钛矿太阳能电池(PSC)在过去几年已经吸引了越来越多的关注，这归因于它们的功率转换效率(PCE)从3.8％[参考文献1]到25.2％[参考文献2]的令人惊讶的升高。然而，PSC装置在工作条件下的稳定性仍然具挑战性。截至目前已经提出了诸多方案来用于解决这个问题：

(1)将2-D钙钛矿掺杂到3-D钙钛矿中。例如，用苯基乙基-碘化铵(PEAI)处理钙钛矿，PEAI可以到达3D钙钛矿表面，与过量的PbI₂反应，这导致作为2D钙钛矿夹层的PEA₂PbI₄的原位生长。由此在界面处形成的2D/3D杂化结构可以显著改进钙钛矿太阳能电池的性能[参考文献4、5]；

(2)调节钙钛矿的组成[参考文献6]或应用无甲基碘化铵的前体[参考文献7]。另外，3-D钙钛矿网络内的组成取代可以增强3D-钙钛矿结构内的氢键合，优化PbI₆八面体结构的倾斜(tilting)[参考文献8]和改进整体稳定性[参考文献9]；

(3)采用钝化技术[参考文献10]。钙钛矿膜通过熏蒸来钝化[参考文献11]或通过激光辐照来钝化[参考文献12]可以改进膜的均匀性和修复膜缺陷来增加光收集。已经报道了用挥发性有机路易斯碱例如吡啶[参考文献21]或气态甲基胺[参考文献22]来钝化钙钛矿膜。

除了上述方案之外，在钙钛矿前体中加入一些添加剂可以改进PSC的效率和稳定性：

(a)例如，将大阳离子并入钙钛矿结构中。胍(Guanidinium)已经被作为有效的大阳离子添加剂来用于稳定具有高PCE的PSC，从而由于另外的氢键的形成而提高了稳定性[参考文献13]；

(b)用在阳离子中含有氟化链[参考文献14]或烯丙基[参考文献15]的基于咪唑的离子液体(IL)掺杂钙钛矿可以改进钙钛矿膜的品质，增加膜表面的疏水性，从而当暴露于湿气时防止水解和因此增加稳定性；

(c)用可自聚合的基于咪唑的离子液体掺杂钙钛矿[参考文献16]可以将保护层有效加入到钙钛矿膜，从而允许钙钛矿太阳能电池能够在空气中制造。

离子液体(IL)是非挥发性盐，具有高的热稳定性和电化学稳定性，这归因于它们的在它们的分子离子之间的强的静电力。IL已经广泛用作添加剂[参考文献17]。

参考文献：

[1]Kojima，A.等人，J.Am.Chem.Soc.131，6050–6051(2009)；

[2]NREL，Best Research Cell-Efficiency:https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html