钙钛矿电池的电子传输层及其制备方法、钙钛矿电池

摘要

本发明公开了一种钙钛矿电池的电子传输层及其制备方法、钙钛矿电池，属于太阳能电池制备及生产技术领域，方法包括将有机胶体稀释液旋涂于玻璃基底上，软烘后高温热解得到透明碳薄膜电极；将受体分子重氮盐溶于无水乙腈中，得到受体分子重氮盐的乙腈溶液；将透明碳薄膜电极置入受体分子重氮盐的乙腈溶液中并进行电化学反应，透明碳薄膜电极表面形成致密分子层即电子传输层。本发明采用有机胶体热解得到透明碳薄膜电极，碳电极具有超高表面平整度，基于该碳电极通过重氮盐电化学还原法制备致密受体分子层作为电子传输层，受体分子与碳电极通过共价键结合，稳定性强，不易分解。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池制备及生产技术领域，尤其涉及一种钙钛矿电池的电子传输层及其制备方法、钙钛矿电池。

背景技术

人类早已发现社会的不断发展对能源的需求，与有限的传统化石能源间的矛盾愈加突出。此外，过度依赖于化石资源的能源结构也给生存环境带来大气污染、全球变暖等诸多问题。太阳能作为一种永不枯竭的清洁能源，受到国内外机构、企业广泛研究关注。太阳能的利用方面除了光热转化之外，光电转化是另一主要形式，其中太阳能电池是主要元件。太阳能电池经历了第一代硅基电池和第二代多元化合物薄膜电池后，衍生出以钙钛矿为代表的第三代新型太阳能电池。此类电池因容易加工、材料广泛、柔性制备而备受瞩目。在光电转化效率方面，钙钛矿电池也从最初的3.8％提升到了NREL认证的22.1％。

钙钛矿太阳能电池主要是通过光吸收材料受能量大于其带隙的光子激发产生激子，有效的分离电子、空穴，从而产生光伏效应。可见电荷传输层对电池器件效率和稳定性的改善起到至关重要的作用。目前常用的电子传输层材料有TiO2，ZnO，SnO2等金属氧化物。但其在溶液法长晶过程中，形貌、致密度易受工艺环境影响，且在后续钙钛矿材料的热处理过程中稳定性差，易造成钙钛矿材料的分解，使得相应的电池制备成品率差、电池寿命短等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中TiO2、ZnO、SnO2等金属氧化物作为电子传输层材料在后续热处理过程中稳定性差，易造成钙钛矿材料的分解，使得相应的电池制备成品率差、电池寿命短的问题，提供了一种钙钛矿电池的电子传输层及其制备方法、钙钛矿电池。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种钙钛矿电池的电子传输层制备方法，所述方法包括：

将有机胶体稀释液旋涂于玻璃基底上，软烘后高温热解得到透明碳薄膜电极；

将受体分子重氮盐溶于无水乙腈中，得到受体分子重氮盐的乙腈溶液；

将透明碳薄膜电极置入受体分子重氮盐的乙腈溶液中并进行电化学反应，透明碳薄膜电极表面形成致密分子层即电子传输层。

作为一选项，所述有机胶体采用MEGSPOSI SPR220 i-LINE系列光刻胶，旋涂厚度为1～5μm。

作为一选项，所述有机胶体稀释液的稀释浓度为10％～30％；进一步地，有机胶体稀释液旋涂转速为3000～6000rpm。

作为一选项，所述热解温度为600～1100℃，热解时间为0.5～1.5h。

作为一选项，所述透明碳薄膜电极的厚度为10～100nm；进一步地，透明碳薄膜电极SP

作为一选项，所述受体分子为正己基萘二酰亚胺或3,4,9,10-苝四酸二酐；进一步地，受体分子的厚度为5～30nm。

作为一选项，所述受体分子重氮盐的乙腈溶液中受体分子重氮盐浓度0.5mM～1mM。

作为一选项，所述电化学反应采用循环伏安法进行扫描，扫描范围0.4～(-0.4)Vvs.Ag/Ag

需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

本发明还包括一种钙钛矿电池的电子传输层，该电子传输层具体为采用上述任一选项钙钛矿电池的电子传输层制备方法制备的电子传输层。

本发明还包括一种钙钛矿电池，包括采用上述任一选项所述钙钛矿电池的电子传输层制备方法制备的透明碳薄膜电极，以及采用上述任一选项钙钛矿电池的电子传输层制备方法制备的电子传输层。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

本发明采用有机胶体热解得到透明碳薄膜电极，碳电极具有超高表面平整度，基于该碳电极通过重氮盐电化学还原法制备致密受体分子层作为电子传输层，受体分子与碳电极通过共价键结合，稳定性强，不易分解。进一步地，电化学作用下，受体分子层完全覆盖碳电极表面，几乎不存在针孔，使得电子传输层高效提取钙钛矿吸光层中的光生电子，减少空穴-电子在界面处的复合。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1的透明碳薄膜电极表面粗糙度仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明目的在于提高电池制备成品率，提升电池稳定性，提供了一种钙钛矿电池的电子传输层及其制备方法、钙钛矿电池电极，具体采用光学透明光刻胶热解薄膜(PPF)作为电极材料，通过重氮盐电化学还原法制备受体分子层作为电子传输层。

实施例1

如图1所示，在实施例1中，一种钙钛矿电池的电子传输层制备方法，具体包括以下步骤：

S01：将有机胶体稀释液旋涂于玻璃基底上，80℃软烘40min后高温热解得到透明碳薄膜电极；

S02：将受体分子重氮盐溶于无水乙腈中，得到受体分子重氮盐的乙腈溶液；作为一优选项，在受体分子重氮盐的乙腈溶液中添加辅助电解质，优选0.1M的TBABF4电解质。

S03：将透明碳薄膜电极置入受体分子重氮盐的乙腈溶液中并进行电化学反应，透明碳薄膜电极表面形成致密分子层即电子传输层。

本发明采用有机胶体热解得到透明碳薄膜电极，碳电极具有超高表面平整度，通过重氮盐电化学还原法制备致密受体分子层作为电子传输层，受体分子与碳电极通过共价键结合，稳定性强，不易分解。进一步地，电化学作用下，受体分子层完全覆盖碳电极表面，几乎不存在针孔，使得电子传输层高效提取钙钛矿吸光层中的光生电子，减少空穴-电子在界面处的复合。

进一步地，有机胶体采用MEGSPOSI SPR220 i-LINE系列光刻胶，旋涂厚度为1～5μm。作为一具体实施例，旋涂厚度可以为3μm。

进一步地，有机胶体稀释液的稀释浓度为10％～30％。作为一具体实施例，稀释浓度为20％。

进一步地，有机胶体稀释液旋涂转速为3000～6000rpm。作为一具体实施例，旋涂转速为4000rpm。

进一步地，热解温度为600～1100℃，热解时间为0.5～1.5h。作为一具体实施例，8℃/h升温至目标温度，热解温度为800℃，热解时间为1h。

进一步地，透明碳薄膜电极的厚度为10～100nm。作为一具体实施例，透明碳薄膜电极的厚度为12nm。为更好说明本发明技术效果，基于上述具体实施例数据得到的透明碳薄膜电极的表面粗糙度如图1所示，透明碳薄膜电极表面粗糙度的RMS(有效值，即一组统计数据的平方的平均值的平方根)小于0.5nm，利于基于该电极制备电子传输层薄膜。更进一步地，本发明电极为碳电极，碳材料的化学惰性保证了其在制备过程中不易污染，有效保障了器件制备的稳定性。

进一步地，透明碳薄膜电极SP3/SP2为0.2～0.45，透明碳薄膜电极O/C为2％～5％。作为一具体实施例，透明碳薄膜电极SP3/SP2为0.3，透明碳薄膜电极O/C为3％。

进一步地，受体分子为正己基萘二酰亚胺或3,4,9,10-苝四酸二酐。更进一步地，受体分子的厚度为5～30nm。作为一具体实施例，受体分子的厚度为20nm。

进一步地，受体分子重氮盐的乙腈溶液中受体分子重氮盐浓度0.5mM～1mM。作为一具体实施例，受体分子重氮盐浓度0.8mM的乙睛溶液。

进一步地，电化学反应采用循环伏安法进行扫描，电极电势扫描范围0.4～(-0.4)V vs.Ag/Ag

本发明采用有机胶体热解得到透明碳薄膜电极，碳电极具有超高表面平整度，基于该碳电极通过重氮盐电化学还原法制备致密受体分子层作为电子传输层，受体分子与碳电极通过共价键结合，C-C键能达到4eV，700K条件下仍保持材料特性，稳定性强，不易分解。进一步地，电化学作用下，受体分子层完全覆盖碳电极表面，几乎不存在针孔，使得电子传输层高效提取钙钛矿吸光层中的光生电子，减少空穴-电子在界面处的复合。

实施例2

本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，提供了一种钙钛矿电池的电子传输层，包括如实施例1所述任一选项钙钛矿电池的电子传输层制备方法制备的电子传输层。

实施例3

本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，提供了一种钙钛矿电池电极，包括如实施例1所述任一选项钙钛矿电池的电子传输层制备方法制备的透明碳薄膜电极，基于该透明碳薄膜电极能够得到平整度高的电子传输层。

实施例4

本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，提供了一种钙钛矿电池，包括如实施例1所述任一选项钙钛矿电池的电子传输层制备方法制备的透明碳薄膜电极，以及如实施例1所述任一选项钙钛矿电池的电子传输层制备方法制备的电子传输层，基于该透明碳薄膜电极能够得到平整度高的电子传输层，即透明碳薄膜电极与电子传输层紧密贴合设置。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。