一种掺杂3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

本发明涉及钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种有机小分子材料掺杂钙钛矿层制备高效稳定倒置结构钙钛矿太阳能电池的方法。

背景技术：

1、钙钛矿太阳能电池作为新一代的太阳能电池，在过去的十几年中得到了飞速发展，电池的光电转化效率从最初的3.8％迅速发展到如今的25.7％。钙钛矿材料具有载流子寿命长、双载流子传输性、光吸收范围广和可溶液加工性等多种优势，其优异的性能与在光伏领域表现出来的巨大潜力使其成了光伏领域研究的热门。尽管如此，由于钙钛矿材料的离子特质，钙钛矿薄膜在溶液制备和生长的过程中会产生大量各种各样的缺陷，存在于晶体表面和晶界中。这些缺陷的存在会成为载流子的复合中心，从而导致钙钛矿太阳能电池的效率下降和迟滞现象严重。此外，缺陷作为钙钛矿降解的起始位点，使钙钛矿在光照、加热、水汽、氧气的条件下容易发生分解，进而影响其长期稳定性。成为阻碍钙钛矿太阳能电池商业化的难题。

2、研究表明，降低钙钛矿结构中存在的缺陷和获得高结晶质量的钙钛矿薄膜是提升钙钛矿太阳能电池光伏性能和稳定性的关键。在目前已发展的多种策略中，添加剂工程被认为是提高器件性能的一种简单有效的方法。因此，通过探究新型高效的钙钛矿添加剂引入到钙钛矿层中，对提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能以及稳定性具有重要意义。

3、有鉴于此，我们发明了一种掺杂3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的钙钛矿太阳能电池。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是公开一种掺杂3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，提供一种多功能基团有机小分子添加剂掺杂的钙钛矿太阳能电池，具体是通过在钙钛矿吸光层中引入3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯添加剂来制备一种具有高光电转换效率和高稳定性的倒置结构钙钛矿太阳能电池。

2、为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

3、一种掺杂3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，由下至上依次包括：阳极基底、空穴传输层、界面修饰层、钙钛矿吸光层、电子传输层、空穴阻挡层以及阴极电极；

4、所述钙钛矿吸光层为3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯掺杂钙钛矿层，且所述钙钛矿吸光层的钙钛矿是由cs+、ma+和fa+三种阳离子中的至少一种离子构成，其通式为：fa1-x-ymaycsxpbi3-zbrz(0≤x<1，0≤y≤1，x+y≤1，0≤z<3)；

5、所述钙钛矿吸光层制备方法为反溶剂法，所用反溶剂为含3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的氯苯溶液。

6、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，所述钙钛矿吸光层的钙钛矿为fa0.83cs0.17pbi2.7br0.3；所述阳极基底为ito玻璃或fto玻璃，所述空穴传输层为ptaa，所述界面修饰层为pfn-br，所述电子传输层为c60，所述空穴阻挡层为bcp，所述阴极顶电极为ag或cu，所述顶电极的厚度为60-100nm。

7、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，所述3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯在反溶剂溶液中的浓度为2-5mg/ml。

8、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，所述的掺杂3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

9、(1)清洗阳极基底，然后对所述阳极基底进行表面处理，得到表面处理后的阳极表面；

10、(2)在步骤(1)所述表面处理后的阳极表面上依次旋涂空穴传输层、界面修饰层；

11、(3)将3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯添加到溶剂中溶解得到反溶剂溶液；

12、(4)在步骤(2)所述界面修饰层的表面旋涂制备钙钛矿吸光层；

13、(5)在步骤(4)所述钙钛矿吸光层的表面依次蒸镀电子传输层、空穴阻挡层和阴极电极，得到所述掺杂3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的钙钛矿太阳能电池。

14、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，步骤(1)所述表面处理包括：依次用ito玻璃清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗20-30分钟，随后用氮气流吹干阳极基底，最后用plasma清洗机对清洗烘干后的阳极基底表面进行5-10分钟的等离子表面处理。

15、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，步骤(2)所述空穴传输层制备过程为：将ptaa的甲苯溶液旋涂在表面处理后的阳极基底上，然后进行退火处理，得到所述的空穴传输层；其中，旋涂的转速为5000-6000转/分钟，旋涂时间为30-40秒；退火处理的温度为90-110℃，退火处理时间为5-10分钟；所述ptaa甲苯溶液的浓度为1.5-2.5mg/ml。

16、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，步骤(2)所述界面修饰层的制备过程为：将pfn-br的dmf溶液旋涂在ptaa表面，得到所述的界面修饰层；其中，旋涂的转速为5000-6000转/分钟，旋涂时间为10-30秒；所述pfn-br的dmf溶液的溶度为0.2-1.0mg/ml。

17、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，步骤(4)所述钙钛矿吸光层的制备包括：

18、一、钙钛矿前躯体混合溶液的制备

19、将fai、csi、pbi2和pbbr2四种物质分别加入到dmf和dmso的混合溶剂中，搅拌均匀，形成钙钛矿前躯体混合溶液；

20、二、钙钛矿的旋涂沉积

21、将上述钙钛矿前躯体混合溶液通过两个阶段的旋涂过程沉积在界面修饰层表面，并于第二阶段的10-20秒滴加配制好的100-300ul反溶剂溶液，经退火处理得到所述的钙钛矿吸光层，退火处理的温度为90-110℃，时间为10-30分钟；

22、其中，两个阶段的旋涂过程包括：(1)500-1500转/分钟运行5-10秒；(2)5000-6000转/分钟运行25-40秒；

23、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，所述钙钛矿前躯体混合溶液的dmf与dmso的体积比为3:1-5:1；在所述钙钛矿前躯体混合溶液中，fai、csi、pbi2和pbbr2按照fa0.83cs0.17pbi2.7br0.3的化学计量比混合，铅的卤化物在钙钛矿前躯体溶液中的浓度为1-1.5m。

24、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案，步骤(5)的操作步骤包括：在钙钛矿吸光层表面先蒸镀电子传输层，厚度为10-30nm；然后在电子传输层上蒸镀空穴阻挡层，厚度为5-10nm；最后蒸镀ag或cu阴极电极，厚度为60-100nm。

25、与现有技术相比，本发明的技术方案获得了如下有益效果：

26、(1)本发明提供的3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯掺杂的倒置钙钛矿太阳能电池的制备方法，以溶解3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的氯苯溶液作为反溶剂进行钙钛矿薄膜制备，制备得到结晶性更好、晶界更少的钙钛矿薄膜，并且通过调节3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的添加量可以调节钙钛矿吸光层的表面形貌和结晶性，从而影响光吸收性能、光生载流子的传输和收集效率、以及钙钛矿薄膜的稳定性，为制备高效率、高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供一种新方法。

27、(2)本发明提供的3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯掺杂的倒置钙钛矿太阳能电池的制备方法，以溶解3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的氯苯溶液作为反溶剂进行钙钛矿薄膜制备，该添加剂含有氨基、酯基和噻吩三种功能基团，能够与钙钛矿中的缺陷发生配位相互作用，协同地钝化钙钛矿中的缺陷、降低陷阱态密度，使得钙钛矿中的非辐射复合被抑制，载流子寿命延长，同时抑制钙钛矿的退化分解。最终，钙钛矿太阳能电池的光电转化效率和稳定性均得到了明显的提升。

28、(3)本发明提供的3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯掺杂钙钛矿太阳能电池与未加入3-氨基-2-噻吩甲酸甲酯的钙钛矿太阳能电池相比，电池的短路电流密度、开路电压和填充因子均有明显提升，器件环境稳定性、光照稳定性和热稳定性等也有显著改善。

29、应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本发明主题公开的一部分。

30、从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。