一种钙钛矿前驱体溶液、太阳能电池及其制备方法

本申请涉及钙钛矿太阳能电池，尤其涉及一种钙钛矿前驱体溶液、太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着人类社会的不断进步与发展，以及人们对化石天然燃料的使用量愈发增多，在未来存在能源短缺的问题被暴露无遗，光伏技术开始慢慢进入了人们的视野。从诞生第一代光伏电池——单晶硅太阳能电池，到薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池，前者存在着制造成本高，工艺流程复杂的问题，后者虽然降低了成本，但是转换效率却达不到实际应用的效果。钙钛矿太阳能电池于2009年被首次报道到发展至今，其光电转换效率已经达到了26.14％。其中反式钙钛矿太阳能电池(p-i-n结构)具有制备工艺流程简单，迟滞效应低，器件稳定性高，适合制备叠层电池等优点，因此其受到了广泛的关注。

2、反式钙钛矿太阳能电池其结构为ito(fto)/htl/pvk/etl/ag(au)，目前常见的空穴传输层有niox、ptaa、pedot:pss等，其中空穴传输层(htl)首先被旋涂在导电玻璃上的(ito/fto)，其次是钙钛矿层(pvk)，因此空穴传输层与钙钛矿层直接接触，这极大的影响了钙钛矿的结晶，如果钙钛矿层缺陷过多，则会产生相分离，导致非辐射电位复合，进而影响器件的稳定性和效率。

技术实现思路

1、本申请是鉴于上述课题而进行的，其目的在于，提供一种钙钛矿前驱体溶液、太阳能电池及其制备方法，来制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池，

2、第一方面，提供一种钙钛矿前驱体溶液，其中以2-氰基-5-氟嘧啶作为添加剂，化学结构如下图所示：

3、本发明通过在钙钛矿前驱体液中掺杂2-氰基-5-氟嘧啶，以提高了器件的光电效应和稳定性。

4、所述钙钛矿前驱体溶液浓度为1.2m～1.5m。

5、所述2-氰基-5氟嘧啶添加重量为钙钛矿前驱体溶液体积的1-6倍，且2-氰基-5氟嘧啶在钙钛矿前驱体溶液中的溶解浓度为1mg/ml-6mg/ml。

6、第二方面，提供一种反式钙钛矿太阳能电池，由2-氰基-5-氟嘧啶掺杂的钙钛矿太阳能电池，其结构自下而上由导电基底，空穴传输层，钙钛矿层，电荷传输层和背电极组成，本申请中的钙钛矿层采用famacs三元钙钛矿。

7、第三方面，提供一种反式钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤一：钙钛矿前驱体溶液的配置

9、将pbi2、pbbr2、fai、macl、mabr和csi在dmf/dmso(体积比为4/1)中混合制备前驱体液，其中i/br和fa/ma的摩尔比保持在0.85/0.15，配置的钙钛矿前驱体液的浓度为1.2m～1.5m；并在钙钛矿前驱体液中加入添加剂2-氰基-5氟嘧啶，加热搅拌溶解，保持添加剂浓度为1mg/ml-6mg/ml。

10、步骤二：ito导电玻璃的清洗；

11、步骤三：空穴传输层的制备；

12、步骤四：钙钛矿薄膜的制备；

13、将步骤一所得到的钙钛矿前驱体溶液以4000rpm转速下旋涂到步骤三所得到的基底中，旋涂时间为35s，并在第25s时滴加反溶剂氯苯，待旋涂结束后在100℃下退火60min，结晶得到钙钛矿薄膜。

14、步骤五：电子传输层制备；

15、步骤六：电子传输修饰层制备；

16、步骤七：金属电极的制备

17、使用真空蒸镀的方法在上述步骤六所得的电子传输修饰层上蒸镀银电极，得到掺杂2-氰基-5氟嘧啶的钙钛矿太阳能电池。

18、就现有技术来看，钙钛矿常用的有硼酸盐类、磺酸盐类等一系列添加剂，与其相比本发明的有益效果是：

19、1)通过在钙钛矿前驱体溶液中掺杂2-氰基-5-氟嘧啶，嘧啶环与其上面的多功能基团产生协同效应，其中嘧啶环上的氮位点会与钙钛矿中未发生配位的铅离子发生相互作用，从而降低缺陷态密度，抑制非辐射复合，提升光电性能。

20、2)根据路易斯碱理论，氰基可以与未发生配位的pb2+发生配位，并且与-nh2基团之间形成氢键，从而钝化缺陷，增加钙钛矿的结晶度，提高了薄膜质量，并且抑制了非辐射复合，提高了器件的光电性能和稳定性。

21、3)由于氟原子具有良好的电子亲和性和高的电负性，其可以与fa+基团形成氢键，抑制缺陷形成并释放晶界应力，促进了载流子的提取和运输。

技术特征：

1.一种钙钛矿前驱体溶液，包括钙钛矿前驱体液，其特征在于，所述钙钛矿前驱体液中掺杂2-氰基-5-氟嘧啶添加剂。

2.根据权利要求1所述的钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述钙钛矿前驱体液的浓度为1.2m～1.5m。

3.根据权利要求1所述的钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述2-氰基-5氟嘧啶在钙钛矿前驱体液中的溶解浓度为1mg/ml-6mg/ml。

4.根据权利要求1所述的钙钛矿前驱体溶液，其特征在于，所述钙钛矿前驱体液中i/br的摩尔比为0.85/0.15，fa/ma的摩尔比为0.85/0.15。

5.一种反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括自下而上设置的导电基底、空穴传输层、钙钛矿层、电荷传输层和背电极。

6.根据权利要求5所述的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿层为famacs三元钙钛矿。

7.一种反式钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，步骤三中将氧化镍水溶液进行超声分散均匀后，滴在清洗干净的ito导电玻璃基底上，在2000rpm转速下旋涂30s，在130℃下退火20min，待稍冷却后迅速转移至手套箱；将2pacz溶于乙醇中，以4000rpm转速下旋涂30s，并在100℃下退火10min，随后用乙醇清洗表面，得到ito/niox/2pacz基底。

9.根据权利要求7所述的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，步骤四中将步骤一所得到的钙钛矿前驱体溶液以4000rpm转速下旋涂到步骤三所得到的基底中，旋涂时间为35s，并在第25s时滴加反溶剂氯苯，待旋涂结束后在100℃下退火60min，结晶得到钙钛矿薄膜。

10.根据权利要求7所述的反式钙钛矿太阳能电池，其特征在于，步骤五中将pc61bm溶于氯苯中，加热搅拌至完全溶解，随后以3000rpm的转速旋涂在步骤四所得到的钙钛矿薄膜上，并在100℃下退火10min；步骤六中将bcp溶于异丙醇中，搅拌得到bcp的过饱和溶液，在4000rpm的转速下旋涂在步骤五所得到的电子传输层上，时间为30s。

技术总结
本申请提供了一种钙钛矿前驱体溶液、太阳能电池及其制备方法，钙钛矿前驱体液中掺杂氰基氟嘧啶。通过在钙钛矿前驱体溶液中掺杂氰基氟嘧啶，嘧啶环与其上面的多功能基团产生协同效应，其中嘧啶环上的氮位点与钙钛矿中未发生配位的铅离子发生相互作用，从而降低缺陷态密度，抑制非辐射复合，提升光电性能；氰基与未发生配位的Pb<supgt;2+</supgt;发生配位，并与‑NH<subgt;2</subgt;基团之间形成氢键，以钝化缺陷，增加钙钛矿的结晶度，提高了薄膜质量，并且抑制了非辐射复合，提高了器件的光电性能和稳定性；而氟原子具有良好的电子亲和性和高的电负性，其可与FA<supgt;+</supgt;基团形成氢键，抑制缺陷形成并释放晶界应力，促进了载流子的提取和运输，相互协同提升器件的稳定性和效率。

技术研发人员：吴筱峰,徐进,邓继东,杨天舒,杨志文
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/23