[发明专利]一种掺杂星型聚合物的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明提供了一种掺杂星型聚合物的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，解决现有添加小分子或聚合物修饰钙钛矿薄膜的方法，无法同时提升钙钛矿太阳能电池效率与稳定性的技术问题。本发明首先基于分子设计合成了星型的笼型聚倍半硅氧烷‑聚(甲基丙烯酸甲酯)，并将星型聚合物POSP首次通过反溶剂的方法添加到铅基钙钛矿薄膜中，一方面，POSP聚合物中的C＝O与钙钛矿中的Pb形成螯合作用，钝化钙钛矿晶界和表面缺陷，抑制非辐射复合和电荷传输损失。另一方面，POSP与钙钛矿材料的相互作用减缓了钙钛矿晶体的生长，使随机形成的原子核以总吉布斯自由能最小化和热力学最优方向调整其生长取向，从而获得较大晶粒尺寸的钙钛矿薄膜。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种掺杂星型聚合物的钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells，PSCs)及其制备方法。

背景技术

全球经济快速发展，能源危机与环境污染日益严重，开发清洁、丰富、可再生能源已经迫在眉睫。太阳能电池作为一种清洁能源，人类利用太阳能电池通过光电效应或者光化学反应直接把光能转换为电能，这是解决能源危机的一种方式，拥有广阔的应用前景。有机-无机杂化钙钛矿材料因其具有宽吸收光谱、低激子结合能、高迁移率和载流子寿命长等光电特性，同时又兼具可低温溶液加工的低成本制备优势，获得了广泛关注。在过去几年中，钙钛矿太阳能电池的能量转化效率(PCE)从3.8％增长到了超过25.5％，显示出极大的商业应用前景。

然而，钙钛矿吸收层的化学稳定性很差，并且在比如电场、氧气、湿度、热和紫外线照射等外部环境条件下容易分解。为了提高器件的PCE和长期稳定性，科研人员已经使用了各种方法，包括添加剂工程、界面工程、复合工程、钝化技术和封装。但是，在这种蓬勃发展的光电技术中，要解决PSCs的长期稳定性，还有很长的路要走。迄今为止，添加剂工程已被证明是制备高质量钙钛矿薄膜和解决晶界及表面缺陷问题的简单有效方法。小分子和聚合物等添加剂基于路易斯酸碱理论被应用于修饰钙钛矿薄膜；在氮、氧或硫上具有孤对电子的小分子(例如吡啶、噻吩和富勒烯)已用于通过钝化晶界缺陷来增强钙钛矿的光电性能；然而，小分子的高挥发性和高扩散系数难以解决PSCs在湿度、电场、高温和强光等极端条件下的操作稳定性。由于这些原因，已经进行了数种尝试来使用钙钛矿活性层中掺入聚合物添加剂(比如：聚碳酸亚丙酯(PPC)、富含氟的铁电聚合物)作为晶体生长模板，以影响结晶并钝化晶界缺陷。但是，这些聚合物具有线性结构且无法解决长时间稳定性。

鉴于目前方法存在的种种问题，有必要探究一种能够同时提高钙钛矿太阳能电池效率与稳定性的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有添加小分子或聚合物修饰钙钛矿薄膜的方法，无法同时提升钙钛矿太阳能电池效率与稳定性的技术问题，而提供了一种掺杂星型聚合物的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

星型的笼型聚倍半硅氧烷-聚(甲基丙烯酸甲酯)在制备铅基钙钛矿薄膜中作为添加剂的应用，该星型的笼型聚倍半硅氧烷-聚(甲基丙烯酸甲酯)的结构式为：

其中，n＝100-10000；该星型的笼型聚倍半硅氧烷-聚(甲基丙烯酸甲酯)即星型聚合物POSP的核是Si-O交替连接的硅氧骨架组成的无机内核，可提供POSP材料的三维结构稳定性；无机内核被八个支链包围，支链上是聚(甲基丙烯酸甲酯)分子链；同时星型聚合物POSP含有多个支链，且每个支链上有多个化学锚定位点碳基(C＝O)。

上述星型的笼型聚倍半硅氧烷-聚(甲基丙烯酸甲酯)采用分子设计合成，制备方法具体如下：

①.八氯丙基多面体低聚倍半硅氧烷(POSS-(Cl)₈)的合成：