一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池及其在空气中制备的方法

本发明属于钙钛矿太阳电池，具体涉及一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池及其在空气中制备的方法。

背景技术：

1、太阳能作为一种可再生的清洁能源，因其分布广泛、长久不衰等优势，在光伏发电领域有着广阔的应用前景。与目前市场上占主导地位的硅电池相比，钙钛矿太阳电池因其光电转换效率高、制备工艺简单、价格低廉、可柔性化制备而受到广泛关注。迄今为止，单结钙钛矿太阳电池的认证效率已达到26.8%，显示出巨大的商业化潜力。为进一步提高太阳电池的效率和降低成本，研究人员致力于开发可以打破肖克利-奎伊瑟（shockley-queisser）极限的叠层太阳电池。钙钛矿材料除了优异的光电性质（吸收系数高，双极性载流子传输，载流子迁移率高，激子结合能低等），其连续可调的光学带隙使其成为制备多结叠层器件的顶电池关键材料。

2、一般来说，宽带隙钙钛矿是利用溴部分取代碘来实现的，然而，当溴含量超过20%时，混合卤化物钙钛矿在光照下会形成富碘相和富溴相。富碘相将会成为载流子复合中心，生成的载流子会在富碘区域迅速热化并积累，导致非辐射复合，进一步增大器件的开路电压损失，降低器件光电转换效率。虽然通过结晶调控、缺陷钝化和降低溴含量等策略可以提高宽带隙钙钛矿的光稳定性，但光致相偏析仍然是不可避免的。另一方面，大多数高效钙钛矿电池采用反溶剂萃取方法制备。然而，反溶剂法存在重复性差、溶剂毒性大以及不适合大面积制备等问题。特别是对于宽带隙钙钛矿薄膜，溴含量增多会导致结晶变快，使高质量薄膜的沉积变得困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池及其在空气中制备的方法，以解决宽带隙钙钛矿太阳电池中，因为溴元素的存在或增多会导致结晶速度过快，难以沉积出高质量的薄膜，以及光电转换效率低的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，包括以下步骤：

4、步骤1，预处理导电玻璃；

5、步骤2，在导电玻璃上制备空穴传输层；

6、步骤3，在空穴传输层上旋涂cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液或cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液，退火后获得钙钛矿吸光层；所述cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液或cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液均通过两种过程溶液混合配制；

7、步骤4，在钙钛矿吸光层上制备电子传输层；

8、步骤5，在pcbm电子传输层上制备金属电极，获得纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池。

9、本发明的进一步改进在于：

10、优选的，所述cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液的制备过程为：将醋酸铅和甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺中，获得一号过程溶液；将碘化铯、碘化铅和二甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中，得到二号过程溶液；将一号过程溶液和二号过程溶液混合后，获得cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液。

11、优选的，步骤3中，所述cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液中醋酸铅、甲基碘化胺、碘化铯、碘化铅和二甲基碘化胺的浓度分别为450-470 mg/ml，570-590 mg/ml，190-210mg/ml，560-580 mg/ml，80-100 mg/ml。

12、优选的，所述cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液的制备过程为：将醋酸铅和甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺中，获得一号过程溶液；将碘化铯、碘化铅、甲脒氢碘盐酸盐和二甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中，获得二号过程溶液，将一号过程溶液和二号过程溶液混合后，获得cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液。

13、优选的，步骤3中，所述cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液中醋酸铅、甲基碘化胺、碘化铯、碘化铅、甲脒氢碘盐酸盐和二甲基碘化胺的浓度分别为450-470 mg/ml，570-590 mg/ml，190-210 mg/ml，560-580 mg/ml，40-70 mg/ml，40-70 mg/ml。

14、优选的，所述空穴传输层为niox层和vnpb层的复合层，所述空穴传输层通过旋涂法制备。

15、优选的，步骤3中，旋涂分为两个阶段，第一阶段旋涂转速为1000-1200 rpm，旋涂时间为10-12 s；第二阶段旋涂转速为4000-4200 rpm，旋涂时间为30-35 s。

16、优选的，步骤3中，退火温度为90-110 ℃，退火时间为10-30 min。

17、优选的，步骤4中，所述电子传输层为pcbm。

18、一种通过上述任意一项制备方法制得的大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池，电池的结构为fto/niox/vnpb/cs0.3dma0.2ma0.5pbi3/pcbm/bcp/ag或fto/niox/vnpb/cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3/pcbm/bcp/ag，其中，x为2-3。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明公开了一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池能在空气中的制备方法为，该方法通过无反溶剂工艺实现。该方法适用于两种钙钛矿前驱体溶液，每一种钙钛矿前驱体溶液均通过两种过程溶液混合配置被后获得，避免直接将所有的物质直接混合后出现不溶物（pbac2）。通过简单混合两种前驱体溶液即可制备纯碘宽带隙钙钛矿薄膜，这两种前驱体溶液分别都能够在没有反溶剂的情况下沉积相应的钙钛矿薄膜。无反溶剂法可以提高钙钛矿薄膜结晶性，降低缺陷态密度，促进钙钛矿太阳电池光电转换效率提升，并且显著提高了器件的重复性。此外，纯碘宽带隙钙钛矿具有优异的光稳定性。

21、进一步的，两种溶液中一号过程溶液可以使用无反溶剂法沉积是因为生成了maac挥发出去，带动溶剂挥发，实现前驱体薄膜的过饱和状态。二号过程溶液能在无反溶剂条件下沉积是因为溶解性低，在制备的过程中，溶剂正常挥发就达到过饱和。

22、本发明提供了一种无反溶剂法制备的纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池，无反溶剂法工艺是通过混合两种前驱体溶液来实现的，这两种前驱体溶液分别都能够在没有反溶剂的情况下沉积相应的钙钛矿薄膜。通过无反溶剂法制备的钙钛矿薄膜结晶度高，薄膜质量好，钙钛矿薄膜缺陷态密度更低，在显著提高钙钛矿太阳电池光电转换效率的同时，使器件的重复性得到提升。另外，采用纯碘体系的电池具有优异的光稳定性，从根本上解决了宽带隙钙钛矿光致相分离问题。本发明中的无反溶剂制备钙钛矿薄膜方法在宽带隙或正常带隙钙钛矿太阳电池中都适用。

技术特征：

1.一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，所述cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液的制备过程为：将醋酸铅和甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺中，获得一号过程溶液；将碘化铯、碘化铅和二甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中，得到二号过程溶液；将一号过程溶液和二号过程溶液混合后，获得cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液。

3.根据权利要求2所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，步骤3中，所述cs0.3dma0.2ma0.5pbi3钙钛矿前驱体溶液中醋酸铅、甲基碘化胺、碘化铯、碘化铅和二甲基碘化胺的浓度分别为450-470 mg/ml，570-590 mg/ml，190-210mg/ml，560-580 mg/ml，80-100 mg/ml。

4.根据权利要求1所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，所述cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液的制备过程为：将醋酸铅和甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺中，获得一号过程溶液；将碘化铯、碘化铅、甲脒氢碘盐酸盐和二甲基碘化胺溶解在n,n-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中，获得二号过程溶液，将一号过程溶液和二号过程溶液混合后，获得cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液。

5.根据权利要求4所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，步骤3中，所述cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3钙钛矿前驱体溶液中醋酸铅、甲基碘化胺、碘化铯、碘化铅、甲脒氢碘盐酸盐和二甲基碘化胺的浓度分别为450-470 mg/ml，570-590 mg/ml，190-210 mg/ml，560-580 mg/ml，40-70 mg/ml，40-70 mg/ml。

6.根据权利要求1所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，所述空穴传输层为niox层和vnpb层的复合层，所述空穴传输层通过旋涂法制备。

7.根据权利要求1所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，步骤3中，旋涂分为两个阶段，第一阶段旋涂转速为1000-1200 rpm，旋涂时间为10-12 s；第二阶段旋涂转速为4000-4200 rpm，旋涂时间为30-35 s。

8.根据权利要求1所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，步骤3中，退火温度为90-110 ℃，退火时间为10-30 min。

9.根据权利要求1所述的一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池在空气中制备的方法，其特征在于，步骤4中，所述电子传输层为pcbm。

10.一种通过权利要求1-9任意一项制备方法制得的大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池，其特征在于，电池的结构为fto/niox/vnpb/cs0.3dma0.2ma0.5pbi3/pcbm/bcp/ag或fto/niox/vnpb/cs0.4dma0.2fa0.2ma0.2pbi3/pcbm/bcp/ag；其中，x为2-3。

技术总结
本发明提供了一种大面积纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池及其在空气中制备的方法，属于钙钛矿技术领域。该制备方法通过在空穴传输层上制备Cs<subgt;0.3</subgt;DMA<subgt;0.2</subgt;MA<subgt;0.5</subgt;PbI<subgt;3</subgt;钙钛矿吸光层或Cs<subgt;0.4</subgt;DMA<subgt;0.2</subgt;FA<subgt;0.2</subgt;MA<subgt;0.2</subgt;PbI<subgt;3</subgt;钙钛矿吸光层，每一种钙钛矿吸光层的前驱体溶液都是通过两种过程溶液混合配置被后获得，避免直接将所有的物质直接混合后出现不溶物，制备过程中通过无反溶剂工艺实现，有利于在空气中制备大面积高品质纯碘宽带隙钙钛矿薄膜，并具有优异的良品率。此外，纯碘宽带隙钙钛矿太阳电池具有优异的光稳定性，可以从根本上解决混合卤素宽带隙钙钛矿光致相分离问题。

技术研发人员：方志敏,丁建宁,聂婷,李绿洲
受保护的技术使用者：扬州大学扬州碳中和技术创新研究中心
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27