[发明专利]一种提高钙钛矿太阳能电池效率和湿热稳定性的方法

说明书

一种提高钙钛矿太阳能电池效率和湿热稳定性的方法。通过反溶剂工程或界面工程将含氟烷基半导体材料应用到多种类型的钙钛矿太阳能电池中以提高器件效率和湿热稳定性。这类以富勒烯C₆₀、富勒烯C₆₁、富勒烯C₇₁、苝酰亚胺和萘酰亚胺等为母体的材料拥有大的π共轭结构，有利于提高载流子的传输效率；含氟烷基的引入，一方面由于氟原子的疏水作用可有效抑制钙钛矿被水分侵蚀，另一方面氟原子与钙钛矿内甲胺离子的强氢键作用可有效抑制高温条件下甲胺离子的迁移和分解。此外，反溶剂添加可以调控薄膜形貌并钝化晶界缺陷。界面修饰可以钝化钙钛矿薄膜的表面缺陷，从而使得所得的钙钛矿太阳能电池具有优异的光电转化效率，以及卓越的湿热稳定性。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能光伏领域。

背景技术

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其具有高效、低成本的特性，成为当今最具有商业化应用前景的光伏技术。目前该电池的实验室认证效率已达到23.6％，是最有潜力替代市场上价格相对昂贵的多晶硅、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)太阳能电池。尽管钙钛矿太阳能电池效率已经满足应用需求，但器件稳定性仍然是钙钛矿太阳能电池商业化应用的一项巨大挑战，也是实际应用中必须解决的关键性问题。

钙钛矿吸收材料具有化学稳定性差的特性，容易受周围环境条件如氧气、紫外线照射、湿度，热和电场的影响而降解。目前对钙钛矿太阳能电池的稳定性研究主要聚焦在通过晶界改性、界面工程和器件封装提高湿度稳定性，在一定程度上保证了电池的使用寿命。然而，钙钛矿太阳能电池的热稳定性并没有得到有效改善，直接限制其实际应用。当钙钛矿太阳能电池在太阳光照下长时间运行时，电池的温度会升高。有机阳离子会在晶格内发生迁移或直接从钙钛矿晶体中扩散出来，从而导致钙钛矿薄膜的分解，最重要的是这类影响是不能通过器件封装来避免。此外，在未封装情况下，不利的体积膨胀也会促进钙钛矿吸收层中水分和氧气的扩散，致使电池受到侵蚀。目前含氟烷基的化合物对各类基材表面进行处理已经被证实可以赋予表面防水、防油和防污功能。以富勒烯C₆₀、富勒烯C₆₁(PC₆₁BM)、富勒烯C₇₁(PC₇₁BM)、苝酰亚胺(PDI)、萘酰亚胺(NDI)等为母体的衍生物也多次被证实可以作为添加剂来有效提升钙钛矿太阳能电池的器件效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用含氟烷基半导体材料提高钙钛矿太阳能电池效率和湿热稳定性的方法。通过反溶剂工程把含氟烷基半导体材料引入到钙钛矿膜中，或者通过界面修饰工程在钙钛矿太阳能电池的吸收层与传输层之间旋涂一层含氟烷基半导体材料，以同时提高器件的光伏性能和湿热稳定性。这类含氟烷基半导体材料会填充在钙钛矿晶界或者钙钛矿薄膜表面以钝化缺陷，其拥有的π共轭结构可以促进电荷在晶界或界面间传输。晶界中氟烷基半导体材料的氟原子与钙钛矿内甲胺等有机阳离子之间存在分子间氢键作用可有效抑制高温条件下有机阳离子的扩散、迁移和分解。含氟烷基半导体材料在钙钛矿表面自组装形成疏水层可有效阻挡水分侵蚀。因此，从各方面提升钙钛矿太阳能电池的湿度稳定性和热稳定性，保证耐用性。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种提高钙钛矿太阳能电池效率和湿热稳定性的方法是：通过反溶剂工程，在钙钛矿薄膜的旋涂制备过程中，把溶解了适量含氟烷基半导体材料的溶液作为反溶剂添加到钙钛矿薄膜当中，调控并优化钙钛矿薄膜形貌，提高效率和湿热稳定性。

含氟烷基半导体材料在有机溶剂中的溶解量为钙钛矿材料质量的0.2-0.5％，所用的有机溶剂为氯苯或者甲苯等。

本发明所述的另一种提高钙钛矿太阳能电池效率和湿热稳定性的方法是：通过界面修饰工程，在钙钛矿太阳能电池的吸收层与传输层之间旋涂一层含氟烷基半导体材料，钝化表面缺陷，提高效率和湿热稳定性。