[发明专利]一种掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。所述的掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿太阳能电池由依次叠加的导电衬底、电子传输层、掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿吸光层和对电极层组成。苝二酰亚胺组装体形成的π‑π堆积相互作用，提高了载流子的分离和转移，钝化了钙钛矿缺陷，提高了钙钛矿太阳能电池的光学性能和热稳定性。同时苝二酰亚胺组装体的扩展π共轭确保了高的电子导电性以实现有效的电荷传输，并且羰基上的氧原子可以与未配位的Pb²⁺螯合来钝化钙钛矿晶体的表面缺陷，从而抑制了界面复合，提高了效率。本发明使用苝二酰亚胺组装体制造的钙钛矿太阳能电池的电池效率高达13.87％。

技术领域

本发明属于太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

有机-无机杂化卤化物钙钛矿由于具有高吸收系数，宽吸收范围，可调直接带隙，和长电荷载流子扩散长度等优异性能而备受关注。由于溶液可加工钙钛矿太阳能电池(PSCs)结合了高效率和易于制造的优点，因此作为一种具有竞争力的低成本太阳能电池，它们已经显示出了与传统无机电池竞争的巨大前景。铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)经历了惊人的增长，认证功率转换效率(PCE)超过25.5％，这一重大进展使PSCs的光电性能与晶硅和碲化镉太阳能电池相当。这些归因于钙钛矿优异的电学和光电性能的独特组合，例如在可见光谱上的显著高吸收，长电荷载流子扩散长度，高载流子迁移率和低激子结合能。作为光吸收层，钙钛矿可以收集光子以产生分别由电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)分离和提取的激子，从而产生电流。因此，钙钛矿层的质量对PSCs的性能起着至关重要的作用。在通过溶液法制备的钙钛矿的结晶过程中，由于异相成核和生长，容易出现针孔和晶界周围的裂缝，从而降低了薄膜的质量。因此，使用添加剂可以填充针孔并修复钙钛矿晶界中的裂缝，以减少钙钛矿膜的表面陷阱，从而减少电荷复合，这已经成为钙钛矿太阳能电池研究的热点之一。

苝二酰亚胺是传统的n-型有机半导体材料，具有优异的光电性能，于其分子结构中具有刚性和扩展的p-p堆积，具有良好的稳定性和高的迁移率。在过去的几年里，一些研究小组也进行了研究并证明了苝二酰亚胺可以成功地作为电子传输层加入钙钛矿太阳能电池中。不幸的是，受其在有机溶剂中固有的不溶性限制，苝二酰亚胺只能在少数特殊溶剂中进行，如浓硫酸或间甲酚，这极大地限制了其结构可调性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

本发明所述的掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿太阳能电池由依次叠加的导电衬底、电子传输层、掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿吸光层和对电极层组成。

所述的电子传输层的制备步骤为：将导电衬底依次经洗涤剂、去离子水、异丙醇和无水乙醇超声清洗后，旋涂浓度为0.2-0.5M的四异丙醇钛的乙醇溶液，旋涂速度为1000-2500rpm，旋涂时间为3-50s，旋涂完成后80-150℃加热形成致密二氧化钛层；然后继续旋涂2-4mol/L的介孔TiO₂的乙醇分散液，旋涂速度为1000-3500rpm，旋涂时间为3-50s，旋涂完成后在马弗炉中450-550℃高温烧结形成介孔二氧化钛层。

所述的掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿吸光层的制备步骤为：在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱液，旋涂速度为1000-2000rpm，旋涂时间为8-12s，再3000-5000rpm旋涂5s-40s，3000-5000rpm旋涂期间滴加浓度为0.1-0.8g/ml的苝二酰亚胺组装体前驱液，最后80-100℃条件下退火5-15min。

所述对电极层为碳电极层。

所述对电极层的制备步骤为：将碳浆刮涂在掺杂苝二酰亚胺组装体的钙钛矿吸光层上，100-150℃退火20-40min。