一种铈基配合物空穴掺杂剂及钙钛矿太阳能电池制备方法

本发明属于钙钛矿太阳能电池，具体涉及一种铈基配合物空穴掺杂剂及钙钛矿太阳能电池制备方法。

背景技术：

1、近年来，钙钛矿太阳能电池（psc）得到了快速发展，是当前最具潜力的薄膜太阳能电池。psc按照器件结构可分为n-i-p结构psc与p-i-n结构psc。目前研究最多、最为高效的还是n-i-p结构psc。空穴传输层（htl）作为n-i-p结构psc的重要组成部分，能极大影响psc的光伏性能和器件稳定性。2,2',7,7'-四[n, n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（spiro-ometad）作为n-i-p结构psc空穴传输材料的明星分子被广泛使用，但是其受限于材料本征空穴迁移率和导电率不得不使用掺杂剂以提高空穴传输性能。其中，金属tfsi盐（m(tfsi)n）和4-叔丁基吡啶（tbp）体系最为经典、也最为高效。虽然基于spiro-ometad:m(tfsi)n/tbp体系的钙钛矿太阳能电池获得了高光电转换效率，但是上述钙钛矿太阳能电池器件的工作稳定性有待于进一步提高，尤其是，spiro-ometad:m(tfsi)n/tbp体系存在一些共性问题：（1）m(tfsi)n和tbp需同时使用，以防止spiro-ometad和m(tfsi)n发生相分离；（2）m(tfsi)n易吸湿，且mn+会迁移扩散，进一步劣化器件性能；（3）tbp不仅易挥发和实现对spiro-ometad•+的退掺杂，还能与钙钛矿组分反应进而降低钙钛矿稳定性。因此，如何提高基于spiro-ometad:m(tfsi)n/tbp体系的稳定性是当下钙钛矿太阳能电池的研究热点。

2、目前，主要通过以下策略解决spiro-ometad:m(tfsi)n/tbp体系稳定性差的问题：（1）开发其他非m(tfsi)n体系掺杂剂代替m(tfsi)n以降低其不利影响或者在m(tfsi)n体系中引入其他功能分子降低mn+迁移扩散和提高spiro-ometad薄膜水、氧稳定性。但是，开发其他非m(tfsi)n体系掺杂剂代替m(tfsi)n或者在m(tfsi)n体系中引入其他功能分子并未解决tbp挥发及其对spiro- ometad•+的退掺杂问题。（2）利用pbi2/csi与tbp络合形成pbi2-(tbp)x/csi·xtbp以降低tbp的挥发，但是与tbp形成络合物却不能解决m(tfsi)n吸湿和mn+迁移扩散问题。（3）使用冠醚代替tbp，并利用其与li-tfsi之间的主-客体相互作用或者采用其他掺杂剂代替m(tfsi)n/tbp以期同时解决其带来的不利影响。上述研究表明，引入其他掺杂剂或者功能分子均能在一定程度上解决m(tfsi)n、tbp和m(tfsi)n/tbp问题，但是这些使得掺杂过程复杂化或者引入新的杂质影响器件稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铈基配合物空穴掺杂剂及钙钛矿太阳能电池制备方法，先利用ce3+-tbp配位作用将ce(tfsi)3与tbp络合，再利用二者形成的ce(tbp)m(tfsi)3铈基配合物空穴掺杂剂对spiro-ometad进行p型掺杂以实现ce(tfsi)3间接掺杂spiro-ometad，进而构筑高效、稳定钙钛矿太阳能电池。

2、本发明通过以下技术方案来实现。一种铈基配合物空穴掺杂剂制备方法，在室温下将一定量的ce(tfsi)3和tbp混合溶于乙腈然后蒸干溶剂以制备ce(tbp)m(tfsi)3铈基配合物空穴掺杂剂。

3、进一步地，所述tbp与ce(tfsi)3的摩尔比为5:1。

4、一种钙钛矿太阳能电池制备方法，钙钛矿太阳能电池的结构从下到上依次为：导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极，首先在导电玻璃表面制备电子传输层，然后在电子传输层表面制作钙钛矿吸光层，之后在钙钛矿吸光层表面制备空穴传输层，最后空穴传输层表面制作金属电极；所述空穴传输层的制备过程为：将ce(tbp)m(tfsi)3铈基配合物空穴掺杂剂与spiro-ometad共混溶于氯苯得到ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液，将ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液旋涂在钙钛矿吸光层上，待旋涂结束后室温下自然晾干得到ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad薄膜，并将其用作n-i-p结构钙钛矿太阳能电池的空穴传输层。

5、进一步地，在旋涂前，对ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液过滤除杂。

6、进一步地，为了实现快速掺杂可以通过可见光照射过滤好的ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液。

7、进一步地，所述ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液中所添加ce(tbp)m(tfsi)3的质量浓度控制为0.98-9.81 mg/ml。与现有技术相比，本发明的有益效果为：基于ce3+-tbp配位作用开发出高效、稳定的ce(tbp)m(tfsi)3铈基配合物空穴掺杂剂，有望同时解决钙钛矿太阳能电池空穴传输层中ce(tfsi)3吸湿、ce3+向钙钛矿层迁移扩散、tbp挥发以及多余tbp对spiro- ometad•+退掺杂带来的问题，极大提高钙钛矿太阳能电池寿命（工作稳定性）。

技术特征：

1.一种铈基配合物空穴掺杂剂制备方法，其特征在于，在室温下将ce(tfsi)3和tbp混合溶于乙腈然后蒸干溶剂以制备ce(tbp)m(tfsi)3铈基配合物空穴掺杂剂，所述tbp与ce(tfsi)3的摩尔比为5:1。

2.一种钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，钙钛矿太阳能电池的结构从下到上依次为：导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极，首先在导电玻璃表面制备电子传输层，然后在电子传输层表面制作钙钛矿吸光层，之后在钙钛矿吸光层表面制备空穴传输层，最后空穴传输层表面制作金属电极；所述空穴传输层的制备过程为：将权利要求1所述制备方法所制备的ce(tbp)m(tfsi)3铈基配合物空穴掺杂剂与spiro-ometad共混溶于氯苯得到ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液，将ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液旋涂在钙钛矿吸光层上，待旋涂结束后室温下自然晾干得到ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad薄膜，并将其用作n-i-p结构钙钛矿太阳能电池的空穴传输层。

3.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，在旋涂前，对ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液过滤除杂。

4.根据权利要求3所述的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，通过可见光照射过滤好的ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液。

5.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，所述ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液中spiro-ometad的质量浓度为72.3 mg/ml。

6.根据权利要求2所述的钙钛矿太阳能电池制备方法，其特征在于，所述ce(tfsi)3间接掺杂的spiro-ometad/氯苯溶液中所添加ce(tbp)m(tfsi)3的质量浓度控制为0.98-9.81mg/ml。

技术总结
本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，公开了一种铈基配合物空穴掺杂剂及钙钛矿太阳能电池制备方法，本发明在室温下将一定量的Ce(TFSI)<subgt;3</subgt;和tBP混合溶于乙腈然后蒸干溶剂以制备Ce(tBP)<subgt;m</subgt;(TFSI)<subgt;3</subgt;铈基配合物空穴掺杂剂，将Ce(tBP)<subgt;m</subgt;(TFSI)<subgt;3</subgt;铈基配合物空穴掺杂剂与Spiro‑OMeTAD共混溶于氯苯得到Ce(TFSI)<subgt;3</subgt;间接掺杂的Spiro‑OMeTAD/氯苯溶液，旋涂制作n‑i‑p结构钙钛矿太阳能电池的空穴传输层。本发明可解决钙钛矿太阳能电池空穴传输层中Ce(TFSI)<subgt;3</subgt;吸湿、Ce<supgt;3+</supgt;向钙钛矿层迁移扩散、tBP挥发等负面问题，极大提高钙钛矿太阳能电池寿命。

技术研发人员：韩飞,王玲玲,邹俊华,范敏,陈伟,胡银
受保护的技术使用者：江西省科学院能源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5