一种制备高效钙钛矿太阳电池的方法和钙钛矿太阳电池

本发明涉及太阳电池，更具体地说，是涉及一种基于钙钛矿晶体再溶解策略操纵钙钛矿结晶过程制备高性能太阳能电池的方法，及得到的钙钛矿太阳电池。

背景技术：

1、近年来钙钛矿太阳电池发展迅猛，其单结功率转换效率在过去十年中已经超过26％。然而，高效钙钛矿太阳电池通常在极性溶剂中直接混合极高纯度的卤化铅和有机铵盐来制造，这增加了它们的生产成本，并为未来的商业化带来了重大障碍。此外，不同批次的原材料质量差异不利于大规模生产中高效器件的重现性。再现性差也可能是由于制备中的称重误差、前体溶液老化过程中的副反应以及原料对水分和氧气的敏感性造成的，这阻碍了钙钛矿组合物中精确的化学计量控制和防止自降解的稳定前驱体溶液。

2、最近开发了钙钛矿晶体的再溶解策略，用于制造具有高效，稳定再现性好的钙钛矿太阳电池。与粉末原料的直接混合物不同，通过钙钛矿晶体再溶解制备的前驱体溶液继承了母体钙钛矿晶体的优良特性，如高结晶度、高纯度和精确的化学计量比。令人鼓舞的是，采用钙钛矿晶体再溶解策略制备的钙钛矿太阳能电池的效率已从低于10％迅速提高到26.08％，强调这一新兴策略的普遍性和有效性。因此，通过进一步改善fapbi3粉末的质量以此提升钙钛矿太阳电池的性能具有的空前优势。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于进一步提高fapbi3粉末的质量以及提升钙钛矿太阳电池的性能，提出了一种功能高分子聚合物诱导高质量fapbi3粉末操纵钙钛矿结晶过程制备高性能太阳能电池的策略，通过聚合物辅助的逆温结晶法预合成fapbi3粉末，将其再溶解用作沉积钙钛矿薄膜的高纯前驱体，来控制晶体生长动力学，制得低缺陷且定向生长的钙钛矿薄膜，实现高效率、稳定性好，重复性高的太阳能电池，进一步推进钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种功能高分子聚合物诱导高质量fapbi3粉末操纵钙钛矿结晶过程制备高性能钙钛矿太阳电池的方法，包括以下步骤：

3、在导电基底表面依次形成电子传输层、钙钛矿光吸收层、钝化层、空穴传输层和金属电极层，得到钙钛矿太阳能电池；

4、所述钙钛矿光吸收层通过以下方法制备得到：

5、通过功能高分子聚合物辅助的逆温结晶法预合成fapbi3粉末，再溶解，得到钙钛矿前驱体溶液；最后将其旋涂在电子传输层上，退火后冷却，得到钙钛矿光吸收层；其中功能高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚丙烯酸(paa)、聚乙烯醇(pva)、聚苯乙烯(ps)、聚乙二醇(peg)、聚丙二醇(ppg)、聚9-乙烯基咔唑(pvk)或聚四亚甲基醚二醇(ptmeg)中的一种或几种。

6、在一些实施方式中，所述预合成fapbi3粉末的过程具体为：

7、将fai，pbi2溶于有机溶剂中同时添加1～5μl/ml功能高分子聚合物，得到澄清溶液；再在80℃～150℃油浴加热生成fapbi3粉末后过滤；最后在140℃～160℃真空烘箱烘干20min～40min，得到预合成fapbi3粉末。

8、优选地，有机溶剂为二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)、二甲氧基乙醇(2-me)、γ-丁内酯(gbl)中的一种。

9、在一些实施方式中，所述钙钛矿前驱体溶液的过程具体为：

10、预合成fapbi3粉末、macl和cscl溶于dmf/dmso的混合溶剂中充分溶解后，得到钙钛矿前驱体溶液。

11、优选地，钙钛矿前驱体溶液中预合成fapbi3粉末的浓度为1.4～1.8m。

12、在一些实施方式中，所述旋涂采用两步旋涂法，第一步旋转速度为900rpm～1100rpm，时间为4s～6s，第二步旋转速度为4900rpm～5100rpm，时间为18s～22s，距离旋转结束5s～7s时滴入反溶剂乙醚；

13、所述退火的温度为120℃～150℃，时间为10min～60min。

14、在一些实施方式中，所述导电基底为ito玻璃、fto玻璃或柔性ito-pet。

15、在一些实施方式中，所述电子传输层为sno2纳米颗粒层；

16、优选地，所述形成电子传输层的过程具体为：

17、在导电基底上旋涂sno2前驱体溶液，退火后得到电子传输层；

18、所述退火的温度为120℃～180℃，时间为20min～50min。

19、在一些实施方式中，所述钝化层为peai薄膜层；所述钝化层的形成过程具体为：

20、将peai溶解在ipa溶液中，以4900rpm～5100rpm的旋转速率旋涂到钙钛矿光吸收层表面，形成钝化层。

21、在一些实施方式中，所述空穴传输层为固态电解质spiro-ometad薄层；所述空穴传输层的形成过程具体为：

22、在钝化层上旋涂空穴传输层溶液，旋涂的转速为2000rpm～400rpm，旋涂的时间为20s～30s，干燥后形成空穴传输层；其中空穴传输层溶液由spiro-ometad、双三氟甲基磺酰亚胺锂储备溶液、磷酸三丁酯和氯苯组成。

23、在一些实施方式中，所述金属电极层为金电极层，由真空蒸镀制备而成。

24、本发明第二方面提供一种上述方法制备得到的钙钛矿太阳电池。

25、有益效果：

26、本发明钙钛矿光吸收层为通过功能高分子聚合物辅助的逆温结晶法预合成fapbi3粉末再溶解制得。与现有技术相比，通过本发明提供的制备方法合成有聚合物包裹的fapbi3粉末再溶解作为沉积薄膜的高纯前驱体，更多的成核中心，促进钙钛矿快速结晶，聚合物结合在钙钛矿表面，可以有效地降低钙钛矿(100)面表面能，促进α-fapbi3沿(100)面生长。通过调控钙钛矿晶体生长动力学，制得低缺陷且定向生长的钙钛矿薄膜，实现器件高达26.50％的功率转换效率，同时也大大提高了器稳定性以及可重复性。

27、另外，本发明提供的制备方法工艺简单，条件温和、易控，应用前景广阔。

28、在上文中已经详细地描述了本发明，但是上述实施方式本质上仅是例示性，且并不欲限制本发明。此外，本文并不受前述现有技术或
技术实现要素：
或以下实施例中所描述的任何理论的限制。

技术特征：

1.一种制备高效钙钛矿太阳电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预合成fapbi3粉末的制备包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钙钛矿前驱体溶液的制备包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋涂采用两步旋涂法，第一步旋转速度为900rpm～1100rpm，时间为4s～6s，第二步旋转速度为4900rpm～5100rpm，时间为18s～22s，距离旋转结束5s～7s时滴入反溶剂乙醚；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电基底为ito玻璃、fto玻璃或柔性ito-pet。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子传输层为sno2纳米颗粒层；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钝化层为peai薄膜层；所述钝化层的形成过程具体为：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空穴传输层为固态电解质spiro-ometad薄层；所述空穴传输层的形成过程具体为：

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属电极层为金电极层，由真空蒸镀制备而成。

10.一种钙钛矿太阳电池，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种制备高效钙钛矿太阳电池的方法和钙钛矿太阳电池，具体涉及诱导高质量甲脒钙钛矿(FAPbI<subgt;3</subgt;)粉末操纵钙钛矿结晶过程制备高性能太阳能电池的策略，包括以下步骤：在导电基底表面依次形成电子传输层、钙钛矿光吸收层、钝化层、空穴传输层和金属电极层；所述钙钛矿光吸收层前驱体溶液为通过聚合物辅助的逆温结晶法预合成FAPbI<subgt;3</subgt;粉末再溶解制得。与现有技术相比，通过本发明提供的制备方法合成的FAPbI<subgt;3</subgt;粉再溶解作为沉积薄膜的高纯前驱体，调控钙钛矿晶体生长动力学，制得低缺陷且定向生长的钙钛矿薄膜，实现器件高达26.50％的功率转换效率，同时也大大提高了器件稳定性以及可重复性。

技术研发人员：姚建曦,沈帆,许佳
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23