空穴传输材料、太阳能电池及用电装置的制作方法

本技术涉及电池，具体涉及一种空穴传输材料、太阳能电池及用电装置。

背景技术：

1、利用太阳能资源对于缓解人类的能源需求、实现人类社会可持续发展具有重要意义。太阳能电池是一种通过光电效应或者光化学反应直接把光能转化成电能的装置。钙钛矿型太阳能电池(perovskite solar cells，pscs)，是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池。钙钛矿型太阳电池主要是由透明导电玻璃、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属背电极五部分组成。

2、2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(spiro-ometad)作为空穴传输层材料应用于钙钛矿型太阳电池中，大幅提高了钙钛矿型太阳电池的光电转化效率。然而，spiro-ometad的空穴迁移率较低，一般约在10-5cm2v-1s-1，从而使得器件的光电转化效率低。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本技术提供一种空穴传输材料、太阳能电池及用电装置，能够提升太阳能电池的光电转化效率。

2、第一方面，本技术提供了一种空穴传输材料，包括有机空穴传输材料和混合添加剂，所述混合添加剂包含至少两种阳离子，所述阳离子的半径大于锂离子的半径。

3、本技术实施例提供的空穴传输材料包括有机空穴传输材料，有机空穴传输材料用于构筑太阳能电池中的有机空穴传输层，空穴传输材料还包括混合添加剂，混合添加剂包含至少两种阳离子，且阳离子的半径大于锂离子的半径，即通过在有机空穴传输材料中掺杂半径大于锂离子半径的阳离子，使得掺杂的阳离子难以进入太阳能电池的钙钛矿吸光层，进而提升太阳电池器件的长期运行稳定性。同时，多种阳离子之间可以形成混合添加剂，一方面有效地极化有机空穴传输层中的主体有机分子，使得空穴传输层的homo能级降低，以与钙钛矿的价带顶能级更加匹配，另一方面阳离子之间的间距更小，利于空穴在阳离子之间跳跃输运，最终使得空穴传输层的迁移率提高，界面的非辐射复合被有效抑制，器件的效率得到提高。

4、在一些实施例中，所述阳离子包括金属阳离子，可选地，所述金属阳离子的化合价大于或者等于2。

5、相比于化合价为一价的阳离子，化合价大于或者等于2的金属阳离子带有的电荷数更多，将化合价大于或者等于2的金属阳离子掺杂到有机空穴传输材料中，使得形成的空穴传输层中空穴浓度提高，进而提高空穴传输层的电导率。同时，金属阳离子的价态更高，可以更加有效地极化有机空穴传输材料分子，降低空穴传输层的homo能级以与钙钛矿的价带顶能级更加匹配，提高器件的效率。

6、在一些实施例中，所述混合添加剂包含ag+、cu2+、zn2+、mg2+和ca2+中的至少两种。

7、上述阳离子均为金属阳离子，金属阳离子可以极化有机空穴传输材料分子，降低空穴传输层的homo能级；同时，上述金属阳离子的半径均大于li+的半径，这些金属阳离子难以脱离空穴传输层而渗透到钙钛矿吸光层中，进而保证太阳电池器件的稳定性；此外，上述金属阳离子在器件中能较为稳定的存在，器件的性能稳定性可以保证。相同添加浓度下，上述混合金属阳离子添加剂与li+添加剂相比，空穴传输层的homo能级降低约0.1ev，空穴迁移率提升一个数量级，器件的长期稳定性提升6％以上。

8、在一些实施例中，所述有机空穴传输材料包括吡唑啉类化合物、三芳胺类化合物、咔唑类化合物、苯乙烯类化合物和丁二烯类化合物中的至少一种。

9、吡唑啉类化合物、三芳胺类化合物、咔唑类化合物、苯乙烯类化合物和丁二烯类化合物均属于小分子空穴传输材料，具有制备简便、提纯容易和空穴传输率较高的优点。

10、在一些实施例中，所述三芳胺类化合物包括2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴。

11、通过将2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴作为空穴传输材料应用在钙钛矿太阳能电池中，可以提高钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。

12、在一些实施例中，所述空穴传输材料还包括吡啶类化合物，可选地，所述吡啶类化合物包括4-叔丁基吡啶。

13、吡啶类化合物可以作为助溶剂，通过在空穴传输材料中添加吡啶类化合物，例如4-叔丁基吡啶，利用吡啶类化合物辅助混合添加剂，使得混合添加剂在有机空穴传输材料中均匀分散，改善空穴传输层的形貌。

14、在一些实施例中，所述空穴传输材料还包括钴的配合物。

15、通过在空穴传输材料中添加钴的配合物，三价钴可以氧化有机空穴传输材料，而配体可以起到导电的作用，从而提高太阳能电池的光电转化效率。

16、在一些实施例中，所述混合添加剂包括化学式为m(tfsi)n的化合物，其中m代表所述阳离子，n大于或者等于1，可选地，n小于或者等于5。

17、通过选用双三氟甲烷磺酰亚胺盐添加到有机空穴传输材料中，且由于双三氟甲烷磺酰亚胺盐中阳离子的半径大于锂离子的半径，使得掺杂的阳离子难以进入太阳能电池的钙钛矿吸光层，进而提升太阳电池器件的长期运行稳定性。同时多种阳离子之间可以产生协同作用，使得空穴传输层的homo能级降低，而且还能使得空穴传输层的迁移率提高，器件的长期稳定性也得到提升。

18、在一些实施例中，所述混合添加剂包括m1-tfsi和m2-tfsi，m1、m2分别为不同的所述阳离子。

19、通过将混合添加剂设计为包括两种不同的双三氟甲烷磺酰亚胺盐，利用不同双三氟甲烷磺酰亚胺盐之间的相互协同作用，降低空穴传输层的能级，提升空穴传输层的迁移率，并改善太阳能电池器件的长期稳定性。

20、在一些实施例中，按质量比计，m1-tfsi:m2-tfsi＝1:(0.8-1.2)。

21、通过将混合添加剂中m1-tfsi与m2-tfsi的质量比设为1:(0.8-1.2)，在该范围内，混合添加剂中不同阳离子之间的分子数量比较接近，利于增强不同阳离子之间的协同效果，提升器件的性能。

22、在一些实施例中，按质量比计，有机空穴传输材料:混合添加剂＝1:(0.01-0.6)。

23、通过将有机空穴传输材料与混合添加剂的质量比设为1:(0.01-0.6)，在该范围内，太阳能电池器件的效率得到提升。

24、第二方面，本技术提供了一种太阳能电池，包括面对面设置的第一电极和第二电极，设置在所述第一电极和所述第二电极之间的钙钛矿吸光层，设置在所述钙钛矿吸光层与所述第一电极或所述第二电极之间的空穴传输层，和设置在所述钙钛矿吸光层背离所述空穴传输层的一侧的电子传输层，所述空穴传输层包含根据本技术第一方面所述的空穴传输材料。

25、通过在有机空穴传输层中掺杂半径大于锂离子半径的阳离子，使得掺杂的阳离子难以进入太阳能电池的钙钛矿吸光层，进而提升太阳电池器件的长期运行稳定性。同时，多种阳离子之间可以形成混合添加剂，一方面有效地极化有机空穴传输层中的主体有机分子，使得空穴传输层的homo能级降低，以与钙钛矿的价带顶能级更加匹配，另一方面阳离子之间的间距更小，利于空穴在阳离子之间跳跃输运，最终使得空穴传输层的迁移率提高，界面的非辐射复合被有效抑制，器件的效率得到提高。

26、在一些实施例中，所述空穴传输层的厚度为5nm-100nm。

27、通过将空穴传输层的厚度设为5nm-100nm，在该范围内，设置在钙钛矿吸光层表面的空穴传输层能有效促进空穴的分离和传输，提高钙钛矿吸光层的光吸收性能。

28、在一些实施例中，所述第一电极包括透明导电玻璃。

29、通过将第一电极设置为透明导电玻璃，透明导电玻璃导电的同时保证太阳能电池能够充分地利用太阳光。

30、在一些实施例中，所述透明导电玻璃包括fto、ito、azo、bzo、izo中的至少一种。

31、通过在玻璃表面设置上述透光导电薄膜而制备成的透明导电玻璃在导电性和透光性上均较好。

32、在一些实施例中，所述钙钛矿吸光层包含化学式为abx3和/或a2cdx6的吸光材料，其中a、b、c、d彼此独立地包括无机阳离子和有机阳离子中的至少一种，x包括无机阴离子和有机阴离子中的至少一种。

33、在一些实施例中，a包括ch3nh3+、hc(nh2)2+、cs+中的至少一种；和/或，b包括pb2+、sn2+中的至少一种；和/或，c包括ag+；和/或，d包括bi3+、sb3+、以及in3+中的至少一种；和/或，x包括br-和i-中的至少一种。

34、上述钙钛矿材料的光电特性较好，在太阳光照射下钙钛矿吸光性强,更容易释放电子。

35、在一些实施例中，所述钙钛矿吸光层的带隙为1.20ev-2.30ev。

36、在上述带隙宽度范围内的钙钛矿吸光层可以实现在较宽光谱范围内高效吸光。

37、在一些实施例中，所述钙钛矿吸光层的厚度为200nm-1000nm。

38、钙钛矿材料具有非常高的光吸收系数，在很宽的光谱范围内光吸收系数都超过104cm-1，使得很薄的钙钛矿吸光层就能实现较完全的光吸收，利于降低器件的厚度。

39、在一些实施例中，所述电子传输层包含电子传输材料，所述电子传输材料包括如下材料、其衍生物、及其经掺杂或钝化所得的材料中的至少一种：[6,6]-苯基c61丁酸甲酯、[6,6]-苯基c71丁酸甲酯、富勒烯c60、富勒烯c70、二氧化锡、氧化锌。

40、上述无机型电子传输材料，例如zno、sno2等，具有成本低和稳定性好的特点，有机型材料,例如富勒烯及其衍生物等，具有良好的成膜性能及强的电子传输性能。

41、在一些实施例中，所述第二电极包含有机导电材料和/或无机导电材料。

42、在一些实施例中，所述第二电极包含ag、cu、c、au、al、ito、azo、bzo、izo中的至少一种。

43、包含上述材料的第二电极不仅电导率高而且稳定性好。

44、第三方面，本技术提供了一种用电装置，所述用电装置包括如本技术第二方面所述的太阳能电池。

45、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。

技术特征：

1.一种空穴传输材料，其特征在于，包括有机空穴传输材料和混合添加剂，所述混合添加剂包含至少两种阳离子，所述阳离子的半径大于锂离子的半径。

2.根据权利要求1所述的空穴传输材料，其特征在于，所述阳离子包括金属阳离子，可选地，所述金属阳离子的化合价大于或者等于2。

3.根据权利要求1所述的空穴传输材料，其特征在于，所述混合添加剂包含ag+、cu2+、zn2+、mg2+和ca2+中的至少两种。

4.根据权利要求1至3任一项所述的空穴传输材料，其特征在于，所述有机空穴传输材料包括吡唑啉类化合物、三芳胺类化合物、咔唑类化合物、苯乙烯类化合物和丁二烯类化合物中的至少一种；可选地，所述三芳胺类化合物包括2,2',7,7'-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴。

5.根据权利要求1至4任一项所述的空穴传输材料，其特征在于，所述混合添加剂包括化学式为m(tfsi)n的化合物，其中m代表所述阳离子，n大于或者等于1；可选地，n小于或者等于5。

6.根据权利要求5所述的空穴传输材料，其特征在于，所述混合添加剂包括m1-tfsi和m2-tfsi，m1、m2分别为不同的所述阳离子。

7.根据权利要求6所述的空穴传输材料，其特征在于，按质量比计，m1-tfsi:m2-tfsi＝1:(0.8-1.2)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的空穴传输材料，其特征在于，按质量比计，所述有机空穴传输材料:所述混合添加剂＝1:(0.01-0.6)。

9.根据权利要求1至8任一项所述的空穴传输材料，其特征在于，所述空穴传输材料还包括吡啶类化合物，可选地，所述吡啶类化合物包括4-叔丁基吡啶；和/或，所述空穴传输材料还包括钴的配合物。

10.一种太阳能电池，其特征在于，包括面对面设置的第一电极和第二电极，设置在所述第一电极和所述第二电极之间的钙钛矿吸光层，设置在所述钙钛矿吸光层与所述第一电极或所述第二电极之间的空穴传输层，和设置在所述钙钛矿吸光层背离所述空穴传输层的一侧的电子传输层，所述空穴传输层包含根据权利要求1至9任意一项所述的空穴传输材料。

11.根据权利要求10所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一电极包括透明导电玻璃；可选地，所述透明导电玻璃包括fto、ito、azo、bzo、izo中的至少一种。

12.根据权利要求10至11任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿吸光层包含化学式为abx3和/或a2cdx6的吸光材料，其中a、b、c、d彼此独立地包括无机阳离子和有机阳离子中的至少一种，x包括无机阴离子和有机阴离子中的至少一种。

13.根据权利要求12所述的太阳能电池，其特征在于，所述a包括ch3nh3+、hc(nh2)2+、cs+中的至少一种；和/或，

14.根据权利要求10至13任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述空穴传输层的厚度为5nm-100nm；和/或，所述钙钛矿吸光层的带隙为1.20ev-2.30ev；和/或，所述钙钛矿吸光层的厚度为200nm-1000nm；和/或，所述电子传输层包含电子传输材料，所述电子传输材料包括如下材料、其衍生物、及其经掺杂或钝化所得的材料中的至少一种：[6,6]-苯基c61丁酸甲酯、[6,6]-苯基c71丁酸甲酯、富勒烯c60、富勒烯c70、二氧化锡、氧化锌。

15.根据权利要求10至14任一项所述的太阳能电池，其特征在于，所述第二电极包含有机导电材料和/或无机导电材料；可选地，所述第二电极包含ag、cu、c、au、al、ito、azo、bzo、izo中的至少一种。

16.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括如权利要求10-15任一项所述的太阳能电池。

技术总结
本申请公开了一种空穴传输材料、太阳能电池及用电装置。该空穴传输材料包括有机空穴传输材料和混合添加剂，混合添加剂包含至少两种阳离子，阳离子的半径大于锂离子的半径。本申请实施例的空穴传输材料通过在有机空穴传输材料中掺杂半径大于锂离子半径的阳离子，使得掺杂的阳离子难以进入太阳能电池的钙钛矿吸光层，进而提升太阳电池器件的长期运行稳定性；同时，多种阳离子之间可以形成混合添加剂，一方面有效地极化有机空穴传输层中的主体有机分子，使得空穴传输层的HOMO能级降低，以与钙钛矿的价带顶能级更加匹配，另一方面阳离子之间的间距更小，利于空穴在阳离子之间跳跃输运，最终使得空穴传输层的迁移率提高。

技术研发人员：黄志涵,梁伟风,周辰虹,徐波,欧阳楚英
受保护的技术使用者：宁德时代新能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23