[发明专利]含氯有机钾盐修饰的钙钛矿太阳能电池电子传输层、钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含氯有机钾盐修饰的钙钛矿太阳能电池电子传输层，钙钛矿太阳能电池及其制备方法。所述修饰方式为：含氯有机钾盐均匀布设在电子传输层表面；或者：含氯有机钾盐均匀布设在电子传输层内部；或者：含氯有机钾盐均匀布设在电子传输层内部以及表面。本发明通过含氯有机钾盐修饰电子传输层，利用K⁺阳离子和有机阴离子的协同作用钝化界面缺陷，填充电子传输层表面的氧空位，促进载流子的传输。通过与空穴传输材料、FTO导电玻璃、金属电极对电池的组装得到的钙钛矿太阳能电池开路电压、电池效率和稳定性得到显著提升。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种含氯有机钾盐修饰的钙钛矿太阳能电池电子传输层、钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

早在上个世纪，钙钛矿半导体的优良性质已经被发现，但并未应用在太阳能电池领域中。关于钙钛矿太阳能电池(PSCs)的最早研究源于2009年。日本东京大学的Miyasaka课题组首次使用甲胺卤化铅替代传统的有机染料作为敏化剂，首次获得了效率为3.8％钙钛矿太阳能电池。经过数十年的发展，全世界的研究人员在钙钛矿太阳能电池的材料组分、制备工艺和稳定性等方面做了大量的优化研究。2021年，韩国UNIST报道了钙钛矿太阳能电池最高的认证效率(25.7％)，因此，钙钛矿太阳能电池已经成为光伏领域最有应用前途的候选者。

应用于钙钛矿太阳能电池作为吸光层的钙钛矿材料的结构公式可以描述为ABX₃，其中X位是卤素阴离子(Cl、Br、I)；A位一般是有机阳离子或者碱金属离子，例如甲胺(MA，CH₃NH₃⁺)、甲脒(FA，CH(NH₂)₂⁺)、铯(Cs⁺)等；B位是尺寸较大的金属离子，包括铅(Pb²⁺)、锡(Sn²⁺)等。A位阳离子通常位于六面体顶点，B位阳离子在体心与X位阴离子配合成BX₆八面体。钙钛矿晶体的理想立方结构往往因A位、B位和X位离子大小的不同而扭曲，导致其光学、电子、磁性和介电性能随组分可调。除了组分可调以外，钙钛矿材料还具有许多优良的特性：高吸收系数、低激子束缚能、高缺陷容忍度(由于价态的反键性质，钙钛矿中大多数固有点缺陷倾向于形成浅能级缺陷而不是复合中心)、超长的载流子扩散长度和寿命以及中等的载流子迁移率，这些优点综合导致了钙钛矿太阳能电池的优异性能。

目前，几乎所有高效的钙钛矿太阳能电池都是基于多晶钙钛矿薄膜来制备，而不是单晶薄膜。然而，钙钛矿薄膜的生长都会经历高温退火和快速结晶的过程，因此多晶钙钛矿薄膜的体内、晶界和界面处总是会不可避免地产生大量的带电缺陷，由于钙钛矿材料离子化合物的本质和较高的离子迁移速度，这些薄膜带电缺陷会在电场作用下在器件内部发生迁移，影响钙钛矿器件的光伏性能。研究表明：钙钛矿太阳能电池的界面通常含有更高浓度的缺陷，大约是钙钛矿薄膜体内缺陷的100倍。异质结界面处的悬挂键极易捕获载流子，积累并诱导载流子复合，对载流子的传输过程产生不利影响。这些缺陷影响界面载流子的提取，导致器件串联电阻的增大，降低了钙钛矿器件的开路电压(V_OC)、短路电流密度(J_SC)和填充因子(FF)；除此以外，钙钛矿器件内部缺陷诱导的载流子的捕获和去俘获过程也被认为是器件的不稳定性和迟滞效应的一个重要原因。

近年来减少这些界面缺陷的努力主要集中在表面钝化上，界面工程已被证明是一种有效的方法。相较于钙钛矿薄膜顶表面，底面存在更严重的半导体异质性，这可能源自于钙钛矿多晶薄膜溶液生长结晶过程而导致顶面与底面的差异。电子传输层(ETL)和钙钛矿异质结必须具有良好的能带匹配和优异的电导率，以避免过度的能带偏移，保持载流子的高效提取和传输。然而钝化与电子传输层与钙钛矿层界面处的埋底界面是困难的，因为电子传输层上的表面处理剂在覆盖钙钛矿薄膜时很可能会溶解，造成不可控的掺杂。