[发明专利]利用离子液体添加剂提高钙钛矿太阳能电池效率的方法

说明书

本发明涉及一种利用离子液体添加剂提高钙钛矿太阳能电池效率的方法。本发明属于有机光电技术领域。一种利用离子液体添加剂提高钙钛矿太阳能电池效率的方法，工艺过程如下：(1)制备前驱体混合溶液：将醋酸铅与碘甲胺，溶解于N,N‑二甲基甲酰胺溶液中，形成混合溶液；加入1‑乙基氯化吡啶离子液体为添加剂配置成前驱体混合溶液；(2)制备钙钛矿薄膜：将前驱体混合溶液旋涂成膜到带有PEDOT：PSS的导电玻璃衬底上，热台上退火，得到钙钛矿薄膜；(3)沉积电子传输层：通过热蒸镀或溶液旋涂的方法将电子传输层沉积在钙钛矿薄膜；(4)蒸镀对电极：通过真空镀膜蒸镀金属铝电极。本发明具有条件温和可控、制备简单、成本低，适用于大规模商业化生产等优点。

技术领域

本发明属于有机光电技术领域，特别是涉及一种利用离子液体添加剂提高钙钛矿太阳能电池效率的方法。

背景技术

目前，太阳能电池的研究与开发始终围绕以下两个关键问题而展开：1)提高光电转换效率及寿命；2)采用新型材料以降低成本。目前钙钛矿薄膜太阳能电池最高效率达到了22.1％(Energy Environ Sci.2016,9,1989)。

钙钛矿薄膜太阳电池器件结构包括介孔结构和平面结构。目前介孔材料的合成大多采用溶胶凝胶法制备，孔隙的大小受到制备条件(温度、浓度、处理时间、晶形等因素)的影响。而填充在介孔支架层中的金属卤化物钙钛矿材料的晶体生长受到介孔的影响。孔隙不容易控制、形成的薄膜不均匀、填充不充分以及局部堆积较为严重。因此制备的相同结构的器件重复性差异较大。平面异质结钙钛矿太阳电池结构受界面效应及钙钛矿结晶时表面张力会造成钙钛矿薄膜结晶速度过快、成膜性差，使钙钛矿层的孔洞变多、表面粗糙度变大。后续沉积的空穴传输层或者电子传输层有可能通过孔洞与致密层直接接触，使漏电流增大。上述问题极大地限制了钙钛矿薄膜电池技术的发展。该领域尚未解决的关键问题是如何通过采用简单的技术手段，优化器件结构，保持较好的薄膜覆盖率，进而提高电池的光电转换效率、重复性、稳定性。

钙钛矿晶体的生长过程是一个复杂的相变过程，受到反应体系的温度、溶液、溶剂以及添加剂的影响。这些参数决定了最终的晶体结构、形貌。对理想钙钛矿结构的微小偏离往往会导致晶格畸变的产生，会对钙钛矿材料的能带产生明显的影响。因此，钙钛矿晶体薄膜的结构、形貌、粒径尺寸都对界面载流子的注入和传输具有重大影响。因此，制备高质量低缺陷态的钙钛矿晶体薄膜是获得高效率钙钛矿电池器件的关键。韩礼元等利用强配位溶剂DMSO代替常用的DMF，通过抑制PbI₂快速结晶实现晶体生长及晶体形貌的控制(EnergyEnviron.Sci.,2014,7,2934)。Jen等在前驱液中加入添加剂DIO得到结晶度高且表面均匀的钙钛矿薄膜(Adv.Mater.,2014,26(22):3748)。Snaith等人在前驱体中引入含氯化合物改善CH₃NH₃PbI₃的结晶程度，降低了钙钛矿薄膜的缺陷态，从而提高载流子扩散长度(由100纳米提高到1微米的量级)(Science,2012,338,643)。Song等人通过在钙钛矿前驱液中加入氯萘获得的钙钛矿薄膜表现出更好的晶体结构和覆盖率(Appl.Phys.Lett.,2015,106(3):033901)。这些已有的研究表明：通过添加剂可以有效地调节钙钛矿晶体生长动力学，使其形成高质量的晶体薄膜。

离子液体是一种低蒸气压、高导电性、对热及电化学稳定的物质。Moore等研究了甲酸铵类离子液体(methylammonium formate)(MAF)为溶剂制备覆盖率较好的钙钛矿薄膜(Chem.Mater.2015,9,3197)。Cao等在前躯体溶液中加入离子液体四正丁基碘化膦(TPPI,熔点:333-343℃)和四正丁基氯化膦(TPPCl,熔点:278℃)制备出钙钛矿薄膜(Small,2015,27,3344)。Taima研究了1-己基-3-甲基氯化咪唑鎓(HMImCl,熔点:210℃)作为添加剂对钙钛矿薄膜及电池性能的影响。这些高沸点的的离子液体很难挥发并且很难被溶剂脱除造成器件性能的下降(RSC Adv.2015,5,77495)。

发明内容