[发明专利]一种实现无甲胺钙钛矿薄膜表面重构的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种基于表面重构制备无甲胺钙钛矿薄膜的方法及其应用，属于钙钛矿太阳能电池技术领域。本发明采用疏水性铵盐(HTAB)来实现对钙钛矿薄膜表面的重构，有效解决了无甲胺钙钛矿太阳能电池光活性层与电荷传输层(HTL)之间严重的非辐射性复合而导致开路电压损失严重等问题，使得基于HTAB表面重构的钙钛矿太阳能电池光伏性能从原始的18.85％提高到了21.6％。此外，HTAB表面重构后的钙钛矿薄膜具有更好的疏水性，改进后的器件显示出更优异的稳定性，在一定湿度的黑暗环境中老化518小时后保留了其原始PCE的95％以上，并且在太阳光持续照射下100小时后保留了70％的原始PCE，具有更好的光伏性能和稳定性，且制备方法简单易于实现，有利于工业化生产。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种实现无甲胺钙钛矿薄膜表面重构的制备方法及其应用。

背景技术

目前新兴的有机无机杂化钙钛矿太阳能电池在能量转换效率(PCE)方面取得巨大进步，从最初的3.8％提高到了现在的25.5％，这得益于钙钛矿材料优异的光电性能，包括较高的光吸收系数、较低的激子结合能、可调节的带隙、较长载流子扩散长度以及相对较高的缺陷容忍度等，因此人们对其商业化生产的需求也越来越迫切。但是目前钙钛矿太阳能电池的商业化道路上仍有许多挑战需要克服，其中最突出的就是钙钛矿太阳能电池的稳定性问题。在不同工作环境条件下的各种稳定性中，热稳定性和光稳定性受到广泛关注。研究发现，钙钛矿吸收层材料高温下的降解原因主要是有机组分甲胺阳离子(MA⁺)在超过65℃以上温度会发生热分解。为了避免这一问题，另外一种有机甲脒阳离子(FA⁺)合成的甲脒铅碘(FAPbI₃)具有更好的热稳定性，甚至在150℃以上都不会发生降解。此外，与常用的甲胺铅碘(MAPbI₃)相比，FAPbI₃吸光层材料具有更高的吸收系数、更长的载流子扩散长度和更接近单结Shockley-Queisser极限的理想带隙宽度。但是由于FA⁺阳离子半径过大会引起晶格畸变，使得FAPbI₃在室温下会经历一个从光活性“黑相”(α相)到光惰性“黄相”(δ相)的相转变过程，仅当温度高于150℃时才能持续保留系统的热力学稳定的“黑相”(α相)。

为了解决这一问题，在A位上采用较小半径铯阳离子(Cs⁺)部分取代已被证明是一种有效的方法，可通过将钙钛矿的容忍因子调整到合适范围进而提高FAPbI₃的相稳定性和湿度稳定性。但是Cs-FA杂化的无甲胺钙钛矿太阳能电池的光伏性能始终落后于甲胺基的钙钛矿太阳能电池，这主要是因为钙钛矿层表面缺陷引起的严重的非辐射复合而导致的大量开路电压损失。此外，这些缺陷为水分/氧气的扩散和离子迁移提供了便利的渠道，加速了钙钛矿的降解并危及了钙钛矿太阳能电池的稳定性。