[发明专利]一种倒置钙钛矿太阳能电池阴极界面强化处理材料、方法及应用

说明书

本发明涉及光伏电池技术领域，且公开了一种倒置钙钛矿太阳能电池阴极界面强化处理材料、方法及应用，包括以下步骤：步骤1.制备有机无机杂化钙钛矿薄膜、电子传输层；步骤2.在电子传输层上插入2,2'‑(1,3‑苯基)二[5‑(4‑叔丁基苯基)‑1,3,4‑恶二唑]材料及其衍生物的一种或几种混合的阴极界面强化层,本发明与现有技术相比具有更好的稳定性和器件的使用寿命，阴极界面强化层中含有氮杂环，能够化学吸附并配位作用在金属电极上，够抑制金属电极在Cl^‑、Br^‑、I^‑等卤素环境中的电化学腐蚀，提高金属电极的防腐蚀性能，抑制由电极腐蚀所引发的钙钛矿电池的效率衰减。与此同时，阴极界面强化层可以消除界面势垒，提高载流子传输。提升器件性能与寿命。

技术领域

本发明涉及光伏电池技术领域，具体为一种倒置钙钛矿太阳能电池阴极界面强化处理材料、方法及应用。

背景技术

随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大，同时面临着环境污染、资源匮乏等问题。因而需要寻找新的能源替代传统能源，太阳能作为分布最广、含量最大的能源备受人们青睐，而太阳能电池能将太阳能转化为用途最为广泛的电能。经过多年发展，太阳能电池已经发展到了第三代，第一代与第二代因为成本高、难以制造等因素而无法大规模的生产应用，而第三代太阳能电池具有成本低、效率高和可柔性化等优点而备受青睐。

在第三代新型太阳能电池中，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因具有高吸收系数、长扩散范围和高电荷迁移率等优点而成为被竞相研究的对象(Nano Letters，14(2014):2584-259；Science，347(2015)：967-70)，自2009年首次报道以来，PSCs已经从最初的3.8％的光电转换效率(PCE)在短短的十年时间里提升到25.5％(Journal of the AmericanChemical Society，131(2009)： 6050-6051；Nature Energy，3(2018)：560-566；Science，354(2016)：206-209； Nature，598(2021)：444-450)。虽然PSCs在性能上取得了极大地进步，但是金属电极界面的电荷提取与稳定性成为钙钛矿太阳能电池性能提升的最大瓶颈问题之一。首先，金属电极(如银和金)与电子传输层之间的接触势垒，导致电子提取不良，降低了性能和稳定性。更为棘手的是，离子迁移诱导的阴极界面处的界面衰减是导致钙钛矿薄膜及整体器件衰减的主要原因(Adv. Energy Mater.2017,1602922；OrganicElectronics 30(2016)30e35)。钙钛矿中的卤素离子会通过钙钛矿薄膜晶界，穿透器件的电子传输层，在阴极界面富集，从而腐蚀金属电极，严重限制着器件的稳定性及性能的提升。因此，现有技术的钙钛矿电池存在着电极腐蚀，以致钙钛矿器件的效率衰减，影响钙钛矿电池的稳定性和使用寿命。因此，部分团队着手开发了一系列措施去抑制钙钛矿中的离子迁移，提升器件性能及稳定性的工作，例如：

(1)通过对比在钙钛矿膜表面覆盖PEG或PCBM两种材料,发现 PCBM与钙钛矿薄膜表面I^–离子具有较强的相互作用从而可有效地钝化表面碘缺陷,抑制钙钛矿薄膜表面离子迁移。

(2)在钙钛矿前躯体溶液中添加三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMTA)形成钙钛矿薄膜。化学地锚定到晶界，然后热处理原位交联形成聚合物，从而增强钙钛矿薄膜的耐光性和耐水性。

(3)提出KCl预处理工艺,观察到在热退火过程中K⁺和Cl^–离子会扩散到钙钛矿膜中,并在到达体缺陷时停止扩散进行钝化作用。另有研究表明, KCl保留在界面功能层上且有效地钝化缺陷,显著地抑制SnO₂/钙钛矿界面处的复合。

虽然使用这些处理方法能够有效抑制钙钛矿中离子迁移，但是无法消除金属电极(如银和金)与电子传输层之间的接触势垒，而且未改善金属电极界面的腐蚀问题，也并未对金属电极进行保护，无法抑制金属电极在卤素环境中的腐蚀。

发明内容