本发明属于半导体光电材料与器件领域，具体涉及一种基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池。
背景技术：
1、随着化石能源的不断消耗，能源危机和环境问题变得越来越突出，引起了世界各国的广泛关注。太阳能作为一种新型能源，主要利用光电转换的方式将光能转化为电能，具有环保、资源丰富和清洁可再生等多个优点。由于钙钛矿太阳能电池(pscs)具有光吸收系数高、载流子寿命长、制备工艺简单等优势，因此成为了新一代太阳能电池研究的重点。
2、在钙钛矿太阳能电池器件中，碳材料被认为是最有前途的电极材料，因为碳材料储量丰富、价格便宜、功函数匹配较好且性质稳定，有助于提升pscs的性能。但碳电极钙钛矿太阳能电池中钙钛矿/碳电极界面接触较差，降低了界面载流子传输性能。因此，需要提出一种界面修饰方法用于改善钙钛矿/碳电极间的界面接触，在两层之间构建传输桥梁，这对于提高碳电极钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性十分有益。专利cn113644208a虽用pedot:pss修饰碳电极，来改善钙钛矿/碳电极间的界面接触，但需浸泡，烘干，热压三个步骤来修饰钙钛矿层与碳电极，过程需高温高压力处理，繁琐复杂。所用的pedot:pss是由pedot和pss两种物质构成。pedot是edot(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，pss是聚苯乙烯磺酸盐；其中，pedot:pss含有苯环和磺酸基，分子结构复杂。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对碳电极钙钛矿太阳能电池中钙钛矿/碳电极界面接触较差以及修饰过程繁琐的问题，提出了一种基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰钙钛矿/碳电极界面的太阳能电池。该器件对修饰层进行了改进，以3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐作为修饰层的材料，钝化钙钛矿吸光层表面缺陷；制备中，通过旋涂，退火等两个步骤将3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐均匀分散在钙钛矿吸光层表面，形成3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层，来改善钙钛矿/碳电极界面接触。本发明制备方法高效，制备工艺简单，基于此制备的碳电极钙钛矿太阳能电池载流子传输性能得以改善，光电转换效率显著提升，在未来具有良好的应用前景。
2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
3、一种基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池，该太阳能电池从下到上依次为透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿层、3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层和碳电极；
4、所述的3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层的厚度为5～10nm。
5、所述的衬底优选为氧化氟锡透明导电玻璃(fto)、氧化铟锡透明导电玻璃(ito)、pet/ito(pet为聚对苯二甲酸乙二醇酯)、pen/ito(pen为聚萘二甲酸乙二醇酯)中的一种；
6、所述的电子传输层为二氧化锡(sno2)、二氧化钛(tio2)、氯掺杂的二氧化钛、碳60(c60)、[6,6]-苯基c61丁酸甲酯(pcbm)、氧化锌(zno)、tio2-sno2、zno-tio2、zno-sno2中的至少一种；厚度为5～180nm；
7、所述的钙钛矿层材料结构式为apbx3，a位为甲脒阳离子(nh2ch＝nh2+，fa+)和甲胺阳离子(ch3nh3+，ma+)的至少一种；x位为f-、cl-、br-和i-中的至少一种；厚度为200～1000nm；
8、所述的碳电极；厚度为5～100μm。
9、所述的基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，该方法包括以下步骤：
10、1)在透明导电衬底上制备电子传输层；
11、2)利用匀胶机在电子传输层上旋涂钙钛矿前驱液，通过低压辅助设备处理后进行退火，得到钙钛矿层；
12、所述的钙钛矿前驱液的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、二甲基乙酰胺(dmac)、乙腈(mecn)、醋酸甲胺、甲酸甲胺、丁酸甲胺、γ-丁内酯、无水乙醇中的至少一种；
13、所述的钙钛矿前驱液的浓度为0.2～2mol/l，浓度以pb的含量计；
14、3)在钙钛矿吸光层表面旋涂3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐溶液，进行退火处理，得到3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层；
15、所述的3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐溶液的浓度为0.5～5mg/ml；所述的旋涂速度为1000～6000rpm，旋涂时间为10～60s；所述的退火温度为100～120℃，处理时间5～20min；
16、所述的旋涂量为10～200μl/4～25cm2；
17、4)在修饰层表面刮涂碳浆，然后进行退火处理，最终得到基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的钙钛矿上界面的碳电极钙钛矿太阳能电池。
18、步骤2)中，所述的旋涂速度为1000～6000rpm，旋涂时间为10～60s；所述的低压辅助设备处理时真空度为1～100pa，处理时间为1～60s；所述的退火温度为100～120℃，处理时间为5～20min；
19、步骤3)中，所述的3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐溶液的配置方法，为将3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐加入到去异丙醇中，得到3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐的异丙醇溶液；
20、步骤4)中，所述的退火温度为100～120℃，处理时间15～20min；
21、所述的步骤4)中的碳浆，方阻<30ω，固含量为40～60％。
22、本发明的发明实质性特点为:
23、当前技术的专利cn113644208a中，所用的pedot:pss是由pedot和pss两种物质构成。pedot是edot(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，pss是聚苯乙烯磺酸盐，作为分散长链，分别利用pedot优良的空穴提取能力和pss平衡电极性和促进pedot溶解的作用；通过对碳电极进行处理，使碳电极表面吸附聚合物pedot:pss。由于碳浆中有机溶剂(dbe)与钙钛矿层发生反应，会导致其分解，因此，需要将碳浆浸泡在溶有pedot:pss的无水乙醇中，替换碳浆中原有的有机溶剂，并使其表面覆盖上一层pedot:pss。在70℃环境中烘干，将无水乙醇挥发，得到碳电极薄膜。在压力为0.3～120mpa，温度为50～150℃条件下将覆盖pedot:pss的碳电极薄膜热压在钙钛矿吸光层表面。需要“浸泡，烘干，热压”等步骤，来实现在钙钛矿吸光层与碳电极层之间引入pedot:pss钝化层。
24、本发明涉及的3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐，分子结构简单，均不含分散长链；通过对钙钛矿吸光层进行旋涂退火处理，在钙钛矿吸光层表面形成3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层。其中退火是将旋涂好3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层的器件放到100～120℃的加热台中处理，使异丙醇溶剂挥发。而使用的碳浆有机溶剂为环己酮，不与钙钛矿发生反应，所以只需“旋涂，退火”，便实现在钙钛矿吸光层与碳电极层之间引入3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层。相较于当前技术，本技术将浸泡碳电极转变为旋涂钙钛矿层，烘干和热压两步处理简化为退火一步处理。
25、本发明在钙钛矿吸光层与碳电极层之间引入3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层，3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐的阳离子和阴离子能够嵌入3d钙钛矿层表面的pbi2晶格，诱导形成2d钙钛矿层。这种2d结构能有效钝化晶界缺陷，减少载流子的非辐射复合，进而提升电池性能。
26、此外，专利cn113644208a中器件结构含有空穴传输层，空穴传输层能增强器件内部空穴的传输和提取能力，进而提高器件效率；但所用空穴传输层材料为spiro-ometad，价格最低500元/g，由于spiro中锂盐的li离子半径特别小，具有很大的离子势，很容易结合水分子来降低自身的能量。因此，spiro乃至整体器件在高湿度环境下表现出不稳定性，耐湿性大幅下降。本发明的器件没有采用空穴传输层(此时碳电极/钙钛矿界面处空穴的提取性能变得尤为重要)，是通过掺杂剂的使用提高界面处空穴的提取能力，进而提高器件效率，从而实现了降低器件的制备成本，简化制备工艺。
27、本发明的有益效果为：
28、1)本发明提供的一种基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池，其制备工艺简单，操作方便，成本低廉。如附图2(a)所示，未处理的钙钛矿薄膜的sem扫描图像，揭示了其表面存在明显的孔洞和相对较小的晶粒尺寸，同时晶界密集。这些特征表明该薄膜的晶体结构中存在较多缺陷，致密性不够理想。更重要的是，密集的晶界可能成为载流子传输的阻碍，从而降低器件的光电转换效率；如附图2(b)所示，经3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐的异丙醇溶液修饰后的钙钛矿薄膜sem图显示，处理后的薄膜展现出优越的致密性和较大的晶粒尺寸，几乎无空洞出现。这表明通过3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐的异丙醇溶液的处理，钙钛矿薄膜的质量得到了显著提升，其覆盖性更为优良，有利于增强界面接触和促进电荷转移，进而提高整体器件的性能。如附图3所示，在室内未封装条件下存放5天，修饰前效率为初始的71％，而修饰后效率为初始的92％，所采取的修饰工艺使器件的整体稳定性提高了29.6％，稳定性提升明显；
29、2)本发明与未用3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的标样相比，钙钛矿/碳电极层界面缺陷减少，载流子非辐射复合数量减少，寿命提升，载流子传输性能更高，如附图4所示，开路电压提升5.92％，填充因子提升16.08％，光电转换效率提升了28.34％。现有技术使用有机配体进行表面钝化处理，无法抑制a位有机阳离子的迁移。本技术使用3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐的异丙醇溶液进行钙钛矿层/碳电极层界面滴涂修饰，3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐的阳离子和阴离子能够嵌入3d钙钛矿层表面的pbi2晶格，诱导形成2d钙钛矿层。这种2d结构能有效钝化晶界缺陷，减少载流子的非辐射复合，进而提升电池性能。
1.一种基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池，其特征为该太阳能电池从下到上依次为透明导电衬底、电子传输层、钙钛矿层、3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰层和碳电极；
2.如权利要求1所述的基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池，其特征为所述的衬底为氧化氟锡透明导电玻璃(fto)、氧化铟锡透明导电玻璃(ito)、pet/ito(pet为聚对苯二甲酸乙二醇酯)、pen/ito(pen为聚萘二甲酸乙二醇酯)中的一种；
3.如权利要求1所述的基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征为步骤2)中，所述的旋涂速度为1000～6000rpm，旋涂时间为10～60s；所述的低压辅助设备处理时真空度为1～100pa，处理时间为1～60s；所述的退火温度为100～120℃，处理时间为5～20min。
5.如权利要求3所述的基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征为步骤4)中，所述的退火温度为100～120℃，处理时间15～20min。
6.如权利要求3所述的基于3-三氟甲基苯乙胺氢碘酸盐修饰的碳基有机-无机钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征为所述的步骤4)中的碳浆，方阻<30ω，固含量为40～60％。
