一种改性纤维素及其太阳能电池互联层和太阳能电池

本发明涉及新材料和太阳能电池，具体涉及一种改性纤维素及其太阳能电池互联层和太阳能电池。

背景技术：

1、因其在突破shockley-quesisser(s-q)限制、提升器件的开路电压(voc)、降低电池制作成本等方面显示出潜力，在未来商业化应用中展现出巨大潜力而备受广泛关注。虽然钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池近年来取得了长足发展，但由于其互联层(结构)导致的钙钛矿与有机子电池间的电压损失，其光电转换效率较之理论极限仍存在着较大的差距，因此，设计制备性能优异、性能匹配的互联层(结构)对于开发高性能钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池尤为关键。

2、为了实现钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池优异的光电特性，互联层(结构)需同时在光学、电学和化学等方面满足要求，如：1、优异的电学性质用以确保载流子的提取、传输以及互联层(结构)内的复合；2、优异的光透过性能用以减少电池的寄生吸收和反射损失；3、优异的化学稳定性用以保护钙钛矿薄膜由于后电池制备中溶剂的破坏。

3、目前，钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池常用的互联层(结构)之一为：具有电子传输特性的金属氧化物(zno、snox等)/单质金属(au、ag等)/具有空穴传输特性的金属氧化物(moox、niox等)，此类钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池中的互联层(结构)通常采用热阻蒸发或原子层沉积法制备薄层单质金属，并利用溶胶凝胶或热阻蒸发法制备金属氧化物。其互联层(结构)存在诸多不足点：如：1、1～2nm的单质金属层普遍存在沉积不均匀，薄膜的连续性差，误差较大的问题；2、单质金属易扩散至光敏活性层中，导致其薄膜的结晶结构紊乱，影响器件的效率和稳定性；3、互联层结构复杂，制备步骤过多；4、溶胶凝胶或热阻蒸发法制备金属氧化物时，由于后期的热处理破环器件前电池的结晶；5、互联层(结构)的厚度，尤其是金属单质，其厚膜的透过性降低，存在一定程度的寄生吸收。

4、为了解决由于溶胶凝胶/热阻蒸发法制备金属氧化物导致前电池结晶的问题，专利cn202110681050.0提出通过采用共轭聚合物替代传统的金属氧化物，在低温下制备聚合物薄膜，可以不同程度规避由于高温热处理导致的前电池结晶破话。然而，基于此专利开发的钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池互联层(结构)仍然存在互联层结构复杂，制备步骤过多的问题，同样采用金属ag作为互联结构的中间层，并未从根本上解决其互联层(结构)存在的多重问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中普遍存在的单质金属厚度薄难于沉积均匀、单质金属易扩散、互联层结构复杂、金属氧化物后处理破环叠层器件中前电池的结晶、以及多层互联结构的寄生吸收等问题，本发明提供一种可溶液加工的改性纤维素，及其制备单层单组分双端叠层太阳能电池的互联层的应用。

2、本发明的另一目的在于提供一种改性纤维素及其衍生物的制备方法；

3、本发明的另一目的在于提供一种双端叠层太阳能电池；

4、本发明的另一目的在于提供一种双端叠层太阳能电池的制备方法。

5、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

6、一种改性纤维素，其结构式分别为：

7、

8、其中，所述的r1选自：取代或未取代的c12-c24的杂芳基；所述杂芳基中至少具有2个六元环结构。

9、所述的r2选自：取代或未取代c7-c24的芳基，取代或未取代的c7-c24的杂芳基，其中，所述杂芳基中至少具有2个六元环结构。

10、聚合度x＝10～200，y＝10～200。

11、优选地，所述r1选自取代或未取代的c12-c24的杂芳基；所述杂芳基包括咔唑、二苯胺、三苯胺基及其侧链烷基取代衍生物。

12、优选地，所述r2选自：取代或未取代的c7-c24的杂芳基；所述芳基包括二苯基砜，二苯基亚砜、三苯基氧磷、1，10-菲咯啉，4-三氟甲基苯及其侧链烷基取代衍生物。

13、一种上述改性纤维素的制备方法，包括以下步骤：

14、在极性溶剂中，用化合物im-1与及其苯环侧链烷基取代衍生物在催化剂2的作用下反应，得到合成化合物im-2；

15、在极性溶剂中，用化合物im-2与r2cocl，其中r2为通过调控化合物im-2和r2cocl的投料比例，反应得到改性纤维素a或者改性纤维素b

16、

17、进一步的，所述催化剂1选自：三苯基磷、二苯基氧磷、氯化锂、溴化锂，或其组合；所述催化剂2选自：碳酸钾/钠、氢氧化钾/钠、叔丁醇钾/钠，或其组合。

18、进一步的，为了制备改性纤维素a，所述化合物im-2与r2cocl的物质的量比为1:2-4；为了制备改性纤维素b，所述化合物im-2与r2cocl的物质的量比为1:0.5-1.2。

19、进一步的，所述极性溶剂选自：二甲基甲酰胺(dmac)、二甲基亚砜(dmso)、n-甲基吡咯烷酮(dm)、n-甲基吗啉(dmm)，或其组合。

20、本发明提供了一种纤维素衍生化合物，结构式为：

21、

22、其中，r1选自下组：取代或未取代的c12-c24的杂芳基，所述杂芳基中至少具有2个六元环结构；n为10～200。

23、一种所述纤维素衍生化合物的制备方法，包括以下步骤：在极性溶剂中，用化合物im-1与r1在所述催化剂2的作用下反应获得；

24、

25、本发明提供了一种上述改性纤维素的应用，用于制备双端叠层太阳能电池的互联层或作为互联层材料。

26、本发明还提供了一种双端叠层太阳能电池，结构包括2个子电池和互联层；所述互联层由所述改性纤维素制备得到；或由所述改性纤维素做为材料之一制备得到。

27、进一步的，双端叠层太阳能电池包括钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池、有机/有机双端叠层太阳能电池、钙钛矿/钙钛矿双端叠层太阳能电池。

28、进一步的，钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池的结构包括钙钛矿子电池、有机子电池、互联层。其中钙钛矿子电池包括钙钛矿子电池电子传输层、钙钛矿子电池空穴传输层、宽带隙钙钛矿层；有机子电池包括有机子电池电子传输层、有机子电池空穴传输层、窄带隙有机活性层。

29、进一步的，钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池的宽带隙钙钛矿层、窄带隙有机活性层、电子传输层、空穴传输层、金属电极和衬底的材料分别为：

30、所述宽带隙钙钛矿层的材料包括：溴代甲基碘化铅(mapbi3-xbrx，其中x≥0.5)、溴代碘铅酸铯(cspbi3-xbrx，其中x≥0.5)、溴代碘铅酸甲脒(fapbi3-xbrx，其中x≥0.5)、溴代碘铅酸铯代甲脒(cs1-yfaypbi3-xbrx，其中x≥0.8)、溴代碘铅酸甲基甲脒(ma1-yfaypbyi3-xbrx，其中x≥0.8)或其组合。

31、所述钙钛矿子电池电子传输层材料包括：富勒烯c60/bcp、c60/phen、pc61bm/bcp、pc61bm/phen、pc71bm/bcp、pc71bm/phen，或其组合。

32、所述钙钛矿子电池空穴传输层材料包括：niox、moox、ptaa、poly-tpd、spiro-ometad或其组合。

33、所述窄带隙有机活性层的材料包括：聚[2,6-(4,8-双(5-(2-乙基己基)苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩)-(5,5-(1’,3’-二-噻吩基-5‘,7’-双-(2-乙基己基)苯并[1’,2’-c:4’,5’-c’]二噻吩-4,8-二酮))]/3,9-双-(2-甲乙烯基)-(3-(1,1’-二氰甲烯基)-6/7-甲基)-茚酮))-5,5,11,11-四-(4-己基苯基)-二噻吩[2,3-d:2’,3’-d]-s-引达省并二噻吩[1,2-b:5,6-b’](pbdb-t/it-m)、聚[2,6-(4,8-双-(5-(2-乙基-3-芴)噻吩基)-苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩))-(5,5-(1’,3’-二-2-噻吩-5‘,7’-双-’(2-乙基己基)苯并[1’,2’-c:4’,5’-c’]二噻吩-4,8-二酮](pm6/y6)、聚[5-(5-(4,8-二-(5-(2-乙基己基)-4-氟噻吩)-6-甲基苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩)-4-(2-丁酰基)噻吩)-8-(4-(2-丁酰基)-5-甲基噻吩基二噻吩并[3',2':3,4；2”,3”:5,6]苯并[1,2-c][1,2,5]噻二唑](pm6/y6)或其组合。

34、所述有机子电池电子传输层材料包括：pdin、pdino、ndi或其组合。

35、所述有机子电池空穴传输层材料包括：pedot:pss、pvk或其组合。

36、所述金属电极材料包括：金属铝、银或其组合。

37、所述衬底的材料包括：玻璃、pet、pen透明薄膜或其组合。

38、进一步的，所述钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池的结构包括：

39、(a)衬底；

40、(b)覆盖于衬底上的ito透明导电层；

41、(c)位于ito透明导电层上的钙钛矿子电池空穴传输层；

42、(d)位于钙钛矿子电池空穴传输层上面的宽带隙钙钛矿层；

43、(e)位于宽带隙钙钛矿层上的钙钛矿子电池电子传输层；

44、(f)位于钙钛矿子电池电子传输层上的互联层；

45、(g)位于互联层上的有机子电池空穴传输层；

46、(h)位于有机子电池空穴传输层上的窄带隙有机活性层；

47、(i)位于窄带隙有机活性层上的有机子电池电子传输层；

48、(j)位于有机子电池电子传输层上的金属电极。

49、其中，所述c、d和e为钙钛矿子电池组成部分，所述g、h和i为有机子电池组成部分。

50、进一步的，所述钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池还包括自下而上的一个或多个特征：

51、所述钙钛矿子电池空穴传输层(c)的厚度为30-50nm，

52、所述宽带隙钙钛矿层(d)的厚度为500-800nm，

53、所述钙钛矿子电池电子传输层(e)的厚度为20-30nm，

54、所述互联层(f)的厚度为5-15nm，

55、所述有机子电池空穴传输层(g)的厚度为30-40nm，

56、所述窄带隙有机活性层(h)的厚度为90-120nm，

57、所述有机子电池电子传输层(i)的厚度为10-20nm。

58、优选地，所述互联层(f)的厚度为9-12nm。优选地，所述互联层(f)的厚度为12nm。

59、本发明提供了一种所述钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

60、以具有ito透明导电层为衬底，且所述ito透明导电层上采用湿法加工工艺涂膜钙钛矿子电池空穴传输层；

61、所述宽带隙钙钛矿层采用溶液制备工艺沉积在上述钙钛矿子电池空穴传输层之上；

62、所述钙钛矿子电池电子传输层采用湿法加工工艺沉积在上述宽带隙钙钛矿层之上；

63、所述互联层采用溶液加工工艺沉积在上述钙钛矿子电池电子传输层之上；

64、所述有机子电池空穴传输层采用湿法加工工艺沉积在互联层之上；

65、所述窄带隙有机活性层采用溶液制备工艺沉积在有机子电池空穴传输层之上；

66、所述的有机子电池电子传输层采用湿法加工工艺沉积在窄带隙有机活性层之上；

67、所述的金属电极采用真空镀膜的方式沉积在有机子电池电子传输层上，制备电极，得到所述的钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池。

68、进一步的，所述的空穴传输层、宽带隙钙钛矿层、互联层、窄带隙有机活性层、电子传输层均采用溶液加工工艺制备相应的薄膜，其厚度通过控制旋涂速率和材料的浓度。

69、一种所述钙钛矿/有机双端叠层太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

70、提供一种具有ito透明导电层的衬底；

71、沉积所述钙钛矿子电池空穴传输层材料于所述ito透明导电层上，形成钙钛矿子电池空穴传输层；

72、使所述宽带隙钙钛矿层材料沉积于所述钙钛矿子电池空穴传输层上，形成宽带隙钙钛矿层；

73、使所述钙钛矿子电池电子传输层材料沉积于所述宽带隙钙钛矿层上，形成钙钛矿子电池电子传输层；

74、使所述改性纤维素材料沉积于所述钙钛矿子电池电子传输层上，形成互联层；

75、使所述有机子电池空穴传输层材料沉积于所述互联层上，形成有机子电池空穴传输层；

76、使所述窄带隙有机活性层材料沉积于所述有机子电池空穴传输层上，形成窄带隙有机活性层；

77、使所述的有机子电池电子传输层材料沉积于窄带隙有机活性层上，形成有机子电池电子传输层；

78、使所述金属电极材料沉积于所述有机子电池电子传输层上，形成电极。

79、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

80、本发明创新的以改性纤维素作为双端叠层太阳能电池的单层单组分互联层，通过对纤维素支链区域选择性功能化，接枝不同结构和位点的给受体功能基团，利用纤维素吡喃糖环的共轭阻断效应，抑制给受体结构单元间的相互作用；同时，利用纤维素的剩余羟基俘获载流子复合，实现改性纤维素对于载流子的“双极”独立传输与复合。

81、本发明制备的互联层，解决了现有技术中普遍存在的单质金属厚度薄难于沉积均匀、单质金属易扩散、互联层结构复杂、金属氧化物后处理破环叠层器件中前电池的结晶、以及多层互联结构的寄生吸收等问题。

82、本发明制备的互联层通过单层单组份的设计，解决了传统多层结构制作工序繁琐、制备成本高、制作的批次稳定性差的问题。