本發(fā)明涉及一種基于苝酰亞胺的界面修飾層及其在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用，屬于太陽能電池材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著社會的發(fā)展，能源問題已經(jīng)成為困擾人類的最重要問題之一。傳統(tǒng)的能源資源，例如煤炭、石油等不僅是不可再生的，同時其對環(huán)境造成的污染也日益嚴重，尋找發(fā)展新型可再生能源是解決此問題的首要途徑。太陽能作為新能源的代表，一直作為科研領(lǐng)域的熱點被人們廣泛關(guān)注。太陽能電池由于其綠色環(huán)保的特性而受到人們的關(guān)注。其中，鈣鈦礦太陽能電池由于其優(yōu)異的器件性能備受矚目，在短短幾年間，這類電池的光電轉(zhuǎn)換效率由起初的3.8％增加到目前的22.1％，其理論效率可以達到25％以上，并且這類電池的制備方式可以采用全溶液加工和噴墨打印技術(shù)，快速、大面積集成器件，成本低廉，因而具有巨大的商業(yè)潛力。

以富勒烯及其衍生物作為電子傳輸層的反式鈣鈦礦太陽能電池因其性能優(yōu)異、幾乎沒有遲滯現(xiàn)象，被人們視作為鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的一大方向。但是，這類電子傳輸層與金屬電極之間有一定的接觸阻抗，且兩層之間存在能量位壘，因而引進一層界面修飾層以降低接觸電阻、匹配功函顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一種界面修飾層。

本發(fā)明提供的界面修飾層為苝酰亞胺衍生物，其結(jié)構(gòu)如式(ⅰ)所示，

式(ⅰ)中，n為大于或等于1的整數(shù)，r1、r2、r3、r4選自氫原子、鹵素原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羥基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基、硝基、相同的或不相同的c1-c20的烷基、或是相同的或不相同的c1-c20的烷氧基；所述的c1-c20的烷基或烷氧基為直鏈、支鏈或環(huán)狀，或者其中一個或多個碳原子可被氧原子、烯基、炔基、芳基、羥基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基或者硝基取代，或者其中一個或多個氫原子可被鹵素原子、氧原子、烯基、炔基、芳基、羥基、氨基、羰基、羧基、酯基、氰基或者硝基取代。

本發(fā)明的目的之二在于提供如上所述界面修飾層的用途，上述界面修飾層材料溶解度高，成膜性好，性質(zhì)穩(wěn)定，具有較高的電子遷移率，合適的能級，因此本發(fā)明的界面修飾層能夠應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池中的電子傳輸層與金屬電極之間。

進一步，界面修飾層為苝酰亞胺衍生物ppdin6，該修飾層的合成途徑為：

3,4,9,10-苝四甲酸二酐和五亞乙基六胺溶于咪唑中，氮氣氛圍下160℃下反應(yīng)6小時后，冷卻后加入乙醇洗去多余的咪唑，過濾即得產(chǎn)物ppdin6。

進一步，界面修飾層為苝酰亞胺衍生物pdin5，該修飾層的合成途徑為：

3,4,9,10-苝四甲酸二酐和四亞乙基五胺溶于咪唑中，氮氣氛圍下160℃下反應(yīng)6小時后，冷卻后加入乙醇洗去多余的咪唑，過濾即得產(chǎn)物pdin5。

進一步，所述襯底的構(gòu)成材料包括玻璃或柔性塑料。

進一步，所述的透明電極材料包括銦錫氧化物、氟錫氧化物、鋁鋅氧化物。

進一步，所述的空穴傳輸層為含有添加劑的有機材料或無機材料形成，所述有機材料選自spiro-ometad、p3ht、ptaa、pcpdtbt、pedot:pss、npb和tpd中的任意一種；所述無機材料選自cui、cuscn、nio、v2o5和moo3中的任意一種；所述添加劑選自4-叔丁基吡啶、雙三氟甲基磺酸亞酰胺鋰、鈷鹽fk209中的任意一種或多種。

進一步，所述的鈣鈦礦層由化學(xué)通式為abxmy(3-m)型晶體結(jié)構(gòu)的一種或多種材料形成，其中a＝ch3nh3、c4h9nh3、nh2＝chnh2；b＝pb、sn；x,y＝cl、br、i；m為0至3內(nèi)任意值。

進一步，所述的電子傳輸層為富勒烯及其衍生物。

進一步，所述的金屬電極為金、銀、鉑、銅、鋁、鈣中的任意一種。

本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明提供一類新型的界面修飾材料，其應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池電子傳輸層與金屬電極之間，能夠降低金屬電極功函，減小能量位壘；能夠降低接觸電阻，抑制界面電荷復(fù)合，改進電子傳輸性能，提升效率；為電子傳輸層提供了更好的表面覆蓋，防止可能的物理和化學(xué)降解，提升穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中實施例3鈣鈦礦太陽能電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖，其中的界面修飾層為所述的苝酰亞胺衍生物。

圖2為本發(fā)明實施例3制備的鈣鈦礦太陽能電池的i-v曲線。

圖3為以ppdin6為界面修飾層的鈣鈦礦太陽能電池的光穩(wěn)定性測試結(jié)果。

具體實施方式

下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。

下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。

實施例1、苝酰亞胺衍生物ppdin6的合成

3,4,9,10-苝四甲酸二酐(534.6mg，1.3627mmol)和五亞乙基六胺(316.7mg，1.3627mmol)溶于10g咪唑中，氮氣氛圍下160℃下反應(yīng)6小時后，冷卻后加入100ml乙醇洗去多余的咪唑，過濾即得產(chǎn)物ppdin6，產(chǎn)率90％。

實施例2、苝酰亞胺衍生物pdin5的合成

3,4,9,10-苝四甲酸二酐(534.6mg，1.3627mmol)和四亞乙基五胺(3.786g，20mmol)溶于10g咪唑中，氮氣氛圍下160℃下反應(yīng)6小時后，冷卻后加入100ml乙醇洗去多余的咪唑，過濾即得產(chǎn)物pdin5，產(chǎn)率85％。

實施例3、苝酰亞胺衍生物作為界面修飾層制備鈣鈦礦太陽能電池器件及其性能表征

圖1示出了本發(fā)明所述苝酰亞胺衍生物作為界面修飾層的鈣鈦礦太陽能電池器件結(jié)構(gòu)，包括：透明導(dǎo)電襯底、空穴傳輸層、鈣鈦礦層、電子傳輸層、界面修飾層、金屬電極。制備步驟如下：

(1)導(dǎo)電玻璃的清洗：連續(xù)兩遍使用去離子水、丙酮、異丙醇超聲清洗15分鐘并紫外臭氧處理20分鐘。

(2)氧化鎳空穴傳輸層的制備：將乙酰丙酮鎳溶解于乙醇中，然后加入等摩爾比的二乙醇胺，得到氧化鎳前驅(qū)溶液，將其旋轉(zhuǎn)涂覆于導(dǎo)電玻璃上，空氣中500度熱處理30分鐘。

(3)鈣鈦礦層的制備：將碘甲胺和碘化鉛按摩爾比1:1混合溶于dmf和dmso的混合溶劑中，得到濃度為1m的鈣鈦礦溶液。將鈣鈦礦旋涂于fto/nio基底上并95℃退火30min形成鈣鈦礦層。

(4)電子傳輸層的制備：將富勒烯衍生物pcbm溶解于氯苯中，將其旋涂在鈣鈦礦層上面形成電子傳輸層。

(5)界面修飾層的制備：將苝酰亞胺衍生物ppdin6或pdin5溶解于三氟乙醇或甲醇中配成0.5mg/ml的溶液，以3000rpm的轉(zhuǎn)速在pcbm層上旋涂30s。

(6)將器件移入真空蒸鍍腔，真空蒸鍍金屬銀，制得鈣鈦礦太陽能電池器件。

上述制備的鈣鈦礦太陽能電池的性能如表1所示(所有測試均在1個太陽下測得，100mw/cm²)。

表1鈣鈦礦太陽能電池性能

由上述結(jié)果可得出，本發(fā)明提供的苝酰亞胺衍生物作為鈣鈦礦太陽能電池界面修飾層，可以有效提高器件填充因子，最終提高光電轉(zhuǎn)換效率，這主要是由于加入該修飾層后可以降低pcbm與電極間的接觸電阻，抑制界面電荷復(fù)合，改進電子傳輸性能，從而提升效率。

同時，最重要的ppdin6制備的鈣鈦礦太陽能電池具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性，經(jīng)過封裝后的電池在0.9v下持續(xù)光照200小時后，器件輸出電流保持為初始值的90％，如圖3所示。不加修飾層的鈣鈦礦太陽能電池持續(xù)光照20小時后，效率就會急劇衰減。ppdin6制備的鈣鈦礦太陽能電池對光的穩(wěn)定性大大提高，主要是源于ppdin6分子中的n可以與鈣鈦礦遷移出來的碘離子形成季銨鹽，阻止碘離子與銀電極形成不導(dǎo)電的碘化銀，從而保護了銀電極，提高了器件的光穩(wěn)定性。