一种新型电子传输层材料的合成方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

：本发明属于钙钛矿太阳能电池，涉及一种新型膦酸自组装分子作为电子传输层及其在正式钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

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背景技术：

1、钙钛矿太阳能电池的优势在于其可调的带隙、高吸收系数、长载流子扩散长度和低制造成本。这些特性使得钙钛矿电池在柔性电子、建筑集成光伏以及便携式能源设备等领域具有广泛的应用前景。钙钛矿太阳能电池的发展历程相对较短，但进步迅速。2009年，日本科学家首次使用钙钛矿材料制备太阳能电池，其初始效率仅为3.8％。然而，随着材料科学和纳米技术的发展，钙钛矿太阳能电池的效率在短短几年内显著提高。截至2024年，实验室规模的钙钛矿电池已经能够达到26％以上的光电转换效率，与市场上主流的硅基太阳能电池相媲美。然而，钙钛矿材料的稳定性和长期耐久性仍然是目前研究的重点，因为这些因素直接影响到电池的商业化应用。

2、研究人员正在探索不同的材料配方、器件结构和封装技术，以提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和寿命。同时，环境影响和材料的可持续性也是研究的重要方向，因为钙钛矿材料中可能含有铅等重金属，需要寻找更环保的替代材料。总体而言，钙钛矿太阳能电池作为一种新兴技术，正迅速发展并有望在未来的能源领域扮演重要角色。随着技术的不断进步和挑战的克服，钙钛矿太阳能电池有望实现大规模商业化生产，为全球可持续能源解决方案做出贡献。

3、通常，高效率的n-i-p型钙钛矿太阳能电池采用sno2作为电子传输层。氧化锡具有高电子迁移率、宽带隙、与钙钛矿吸光层较好的能级匹配以及良好的化学稳定性等优异性能，逐渐成为了最有潜力的电子传输层材料。尽管具有上述优点，sno2薄膜内部和表面的氧空位、悬挂的羟基和未配位的金属原子，使得电子提取和传输的效率低，导致界面载流子积累和非辐射复合的发生。除了电子传输层，钙钛矿薄膜的质量对于获得高效率、长期稳定的器件也十分重要。钙钛矿的结晶质量不好会导致薄膜内部及界面处的缺陷密度增大，成为非辐射复合的中心。此外，sno2/钙钛矿的埋底界面会显著影响上层钙钛矿薄膜的结晶质量，因此，通过修饰和优化电子传输层来调节钙钛矿结晶具有重要意义。对于sno2的修饰，guo等人通过引入甲酰胺草酸盐来修饰sno2/钙钛矿埋底界面，减少了界面处的缺陷，并调节载流子动力学，提升器件的性能。此外，还使用了一些添加剂来改性sno2电子传输层，例如磷酸乙醇胺(pe)，聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)，肝素钾(hp)等。然而，电子传输层与钙钛矿界面处与缺陷相关的载流子复合导致较大的开路电压损失。而且由于埋底界面的非暴露特征，理解和优化埋底界面仍然存在挑战。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种新型电子传输层材料及其在正式钙钛矿太阳能电池的制备方法，通过替换传统sno2界面，以新型有机膦酸小分子材料yg25作为电子传输层的方法来修饰氧化铟锡层和钙钛矿层之间的界面，实现进一步优化钙钛矿电池的性能。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种新型电子传输层材料yg25的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)在三口烧瓶中加入(2-氨基乙基)膦酸二乙酯(5.5mmol)、1,8-萘二甲酸酐(1g，5mmol)和4-二甲氨基吡啶(dmap)(0.672g，5.5mmol)，在50-90℃下反应12-36h；然后用水稀释反应后混合物，将混合物冷却至0℃；用真空过滤收集所得固体；用水清洗固体，得到粗产物；粗产物经柱层析(dcm:pe＝1:5,v/v)纯化，得到1.5g的白色固体为化合物3；

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5、(2)将化合物3(0.9g，2.5mmol)在氮气气氛下溶解于无水1,4-二氧六环(20ml)中，加入三甲基溴硅烷(5.3ml，40mmol)，在氮气气氛下，在室温下搅拌反应10-30h；然后，加入甲醇(10ml)，继续搅拌1-5h；最后，加入过量的蒸馏水，直到溶液变得不透明，搅拌一夜；过滤，所得固体用水以及二氯甲烷清洗；再次过滤后，所得固体用正己烷洗涤，得到0.710g的白色粉末，即为电子传输层材料yg25，yg25为带有膦酸基团的有机小分子。

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7、本发明还提供一种钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)将带有膦酸基团的有机分子用dmso溶解，得到前驱溶液；

9、(2)将前驱溶液在室温下旋涂在ito衬底上形成单分子层，然后置于热台上进行退火，制得电子传输层；

10、进一步地，步骤(1)中，所述前驱溶液的浓度为10mg/ml；步骤(2)中，所述单分子层的膜厚度为5nm～20nm；

11、进一步地，步骤(2)中，所述退火温度为110℃，退火时间为5min～10min；

12、进一步地，步骤(2)中，所述旋涂转速为2000rpm～6000rpm，旋涂时间为20s～60s；旋涂开始之前，将前驱体溶液附着在ito表面后，使其静置接触10s～30s；

13、(3)在所制备的电子传输层上依次旋涂钙钛矿溶液、spiro-ometad溶液；然后，将器件转移到蒸镀台中，依次蒸镀moo3和银电极。

14、本发明还提供一种钙钛矿太阳能电池，包括自下而上依次层叠的ito、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层、moo3、银电极。

15、进一步地，所述的电子传输层为带有膦酸基团的有机小分子dmso溶液制备的膜层，溶液浓度为10mg/ml。

16、进一步地，所述的钙钛矿层是以碘化铅、醋酸铅、甲胺碘、甲胺溴以0.4:0.6:2.05:0.15的物质的量配比在n，n二甲基甲酰胺中溶解制备的膜层，溶液浓度为2mol/ml。

17、进一步地，所述的电子传输层为yg25溶解得到的溶液制备的膜层，溶液浓度为10mg/ml。

18、本技术选用有机分子溶解在dmso溶液中，经过高温退火会在氧化铟锡(ito)层上形成一层薄膜，使得有效改善氧化铟锡和钙钛矿之间界面平整度、对晶粒尺寸也有一定的影响，使得薄膜更加平滑致密，使得氧化铟锡层与钙钛矿层可以更加匹配，提高了太阳能电池的性能，尤其是对开路电压的提升比较明显。

19、本发明提供了一种新型萘亚胺结构的有机膦酸小分子yg25，通过将其溶解在dmso的溶液中，实现钙钛矿界面处的钝化。结果表明，相比传统钙钛矿太阳能电池采用sno2作为电子传输层，yg25有效避免了薄膜内部和表面的氧空位、悬挂的羟基和未配位的金属原子。同时，yg25中的羰基(c＝o)会与钙钛矿中未配位的pb2+相互作用，从而减少界面缺陷并改善钙钛矿薄膜的形貌。与标准器件相比，优化后的目标器件表现出增强的电荷传输效率和减少的非辐射复合。因此，yg25处理可以将器件的pce显着提高到，voc和ff得到提升，迟滞明显减少，且器件的存储稳定性得到提升。

20、与现有技术相比，本发明具有以下特点和效果：

21、(1)通过有机膦酸分子yg25的替代，使得氧化铟锡和钙钛矿层能更加匹配，有效地优化了氧化铟锡和钙钛矿之间的界面，而且提升了钙钛矿薄膜的平整度，优化了器件的性能。

22、(2)yg25的制备原料价格低廉，制备方法简单而且稳定；为钙钛矿太阳能电池的界面优化提供了新的可能性。

23、(3)通过用有机膦酸小分子yg25替代sno2作为电子传输层，在器件的电压和效率等多方面都得到了明显提升，提高了电池的性能。

24、本发明制备的yg25作为电子传输层材料，实现了有机分子在薄膜中的动态自组装，制备的电子传输层对钙钛矿界面进行了钝化，不仅改善了钙钛矿层的上表面微观形貌，有机自组装小分子在电子传输层上界面与ito层也产生了化学键合作用，减缓了电极向器件内部扩散。本发明yg25制备方法简单，易操作，成本低，能够应用于钙钛矿太阳能电池，市场前景广阔。