[发明专利]一种L-半胱氨酸盐修饰二氧化锡的方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用

说明书

本发明公开了一种L‑半胱氨酸盐修饰二氧化锡表面的方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用，是利用L‑半胱氨酸盐抑制二氧化锡前驱液中二氧化锡纳米颗粒的团聚，钝化二氧化锡的表面缺陷，进而制备出厚度均匀、表面平整、表面缺陷少的二氧化锡电子传输层薄膜。本发明一方面钝化了二氧化锡金属氧化物表面的氧缺陷，改善了电子传输性能，减少了非辐射复合带来的能量损失；另一方面有效抑制了二氧化锡前驱液中二氧化锡纳米颗粒的团聚，使其能在导电衬底上制备出均匀致密的薄膜，最终提高了器件的效率及稳定性；基于L‑半胱氨酸盐修饰的二氧化锡电子传输层制备的钙钛矿太阳能电池具有高效、稳定的特点。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种L-半胱氨酸盐修饰二氧化锡的方法及其作为电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

作为新型清洁能源，太阳能电池具有安全、无污染、成本低廉等优点，近年来受到了人们的广泛关注。其中，基于三维结构ABX3型钙钛矿的第三代新型太阳能电池，在短短十年间，其光电转换效率已快速突破至25.5％，同时，其制备工艺简单，能够采用溶液法进行卷对卷(roll-to-roll)生产，有利于电池的柔性化及大面积化制备，大幅度降低了电池的生产成本，使其具有广阔的应用前景。

作为钙钛矿太阳能电池的主要组成部分之一，电子传输层主要负责电子的抽取与传输，对电池的效率及稳定性的提升起着至关重要的作用。目前，常用的电子传输层一般采用二氧化钛、二氧化锡、氧化锌等金属氧化物。其中，二氧化锡具有与钙钛矿能级匹配、可见光透过率良好、电子迁移率高、化学稳定性和光稳定性强等优点，同时二氧化锡电子传输层能够通过溶液法低温制备，可应用于柔性器件上。尽管如此，基于二氧化锡的钙钛矿太阳能电池重复性较差，在相同条件下制备的钙钛矿太阳能电池的效率存在一定程度的偏差，造成这种现象的原因主要归结于以下两点：1、二氧化锡前驱液中的二氧化锡纳米颗粒会自发的进行团聚，通过该前驱液制备的电子传输层薄膜厚度不均匀、粗糙度增加，容易引发器件短路；2、基于溶液法制备的二氧化锡电子传输层表面会产生氧缺陷，而氧缺陷会形成电荷复合中心，导致载流子复合效应增强，导致电子迁移率降低。这些现象严重的影响了器件的效率和稳定性，限制了其在产业化中的进一步发展。因此，亟需寻求提升二氧化锡性能的有效方法，进而获得高效且稳定的钙钛矿太阳电池。近几年，研究人员通过在二氧化锡前驱液中引入氯化铵(Z.Liu,K.Deng,J.Hu,L.Li et al.Angew.Chem.Int.Ed.,2019,58,11497.)、有机分子GRT和季铵盐(H.Bi,X.Zuo,Z.Zang,J.Chen et al.J.Mater.Chem.A,2021,9,3940.)、乙二胺四乙酸(D.Yang,R.Yang,K.Wang,S.F.Liu et al.Nat.Commun.,2018,9,3239.)、氟化铷(J.Zhuang,P.Mao,J.Wang et al.Adv.Funct.Mater.,2021,2010385.)等小分子材料，对二氧化锡进行修饰。这些修饰材料的引入，有效抑制了二氧化锡前驱液中二氧化锡纳米颗粒的团聚，改善了二氧化锡电子传输层薄膜表面的形貌，钝化了二氧化锡表面的缺陷，进而提升了器件的效率及稳定性。

基于以上分析，本发明提出一种L-半胱氨酸盐修饰二氧化锡的方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用，具体方法是在二氧化锡前驱液中引入一种L-半胱氨酸盐。L-半胱氨酸盐的引入，有效的抑制了二氧化锡前驱液中二氧化锡纳米颗粒的团聚、钝化了二氧化锡表面的氧缺陷，进而提高了器件的效率及稳定性。

发明内容

本发明的目的在于开发一种L-半胱氨酸盐修饰二氧化锡的方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用，具体方法是在二氧化锡前驱液中引入一种L-半胱氨酸盐。一方面，L-半胱氨酸盐能够有效抑制二氧化锡前驱液中二氧化锡纳米颗粒的团聚，进而制备出厚度均匀、表面平整的二氧化锡电子传输层薄膜；另一方面，L-半胱氨酸盐的羧基能够有效的钝化金属氧化物表面的缺陷，进而提升器件的效率和稳定性；此外，此类L-半胱氨酸盐合成成本低廉、合成路线简单，有利于降低电池器件的制备成本。因此，基于L-半胱氨酸盐修饰的二氧化锡制备的钙钛矿太阳能电池具备高效、稳定、制备成本低廉等特点。