钙钛矿电池及其铅封存方法

1.本发明涉及一种钙钛矿电池的铅封存方法，尤其是关于一种钙钛矿电池的铅封存方法及钙钛矿电池。


背景技术：

2.钙钛矿太阳能电池是新一代的太阳能电池技术，其采用有机无机混合的铅卤钙钛矿材料作为光吸收层。由于铅卤钙钛矿材料具有组分可调、带隙可调、光吸收系数大、载流子扩散距离长、载流子寿命长等特点，吸引了光电子领域研究人员的广泛关注。卤化物钙钛矿的分子式可以描述为abx3，铅卤钙钛矿是指其中b位二价阳离子为pb
2+
。铅卤钙钛矿电池是光电转换效率最高、商业化前景最好的钙钛矿电池，在钙钛矿电池领域有着不可取代的地位。
3.但是在铅卤钙钛矿电池的实际应用中，器件损坏造成的铅泄漏被视为一种环境和公共健康风险。铅在人体内是不可代谢的，对人体的血液系统和神经系统存在严重的损害。对于一个典型的550nm厚的铅基钙钛矿太阳能电池，铅的单位面积浓度估计约为0.75g/m2。因此，开发一种低成本且高效的铅封存方法对钙钛矿电池商业化尤为关键，可以大大的提升钙钛矿电池的环境安全。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种钙钛矿电池的铅封存方法，简单有效的解决钙钛矿电池中的铅泄露问题。
5.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
6.钙钛矿电池的铅封存方法，所述方法包括步骤：
7.步骤1.将虫胶和低级醇按照一定的质量比配置成溶液；
8.步骤2.将溶液分别涂覆在钙钛矿电池的上下表面，即金属电极侧和导电玻璃侧；
9.步骤3.干燥处理后即可完成铅封存。
10.作为优选，步骤1所述的虫胶包括紫虫胶、金虫胶等在内的一种或多种。
11.作为优选，步骤2所述虫胶的涂敷方式包括旋涂、刮涂、喷涂、丝网印刷、卷对卷、压印、滚涂等在内的一种或多种。
12.作为优选，步骤2所述的钙钛矿电池是铅基钙钛矿器件，包含所有含铅的钙钛矿电池器件。
13.作为优选，步骤2所述的虫胶溶液的涂敷方式包括旋涂、刮涂、喷涂、丝网印刷、卷对卷、压印、滚涂等在内的一种或多种。
14.作为优选，步骤3所述的干燥方式为退火、真空、自然晾干等在内的一种或多种。
15.上述铅封存方法中使用的钙钛矿电池，包括依次层叠设置的衬底、透明导电层、电荷传输层钙钛矿光吸收层、电荷传输层、顶电极。
16.作为优选，所述衬底为玻璃或者柔性塑料类材料制成；所述透明导电层采用氧化
铟锡ito或氟掺杂氧化锡fto材料中的一种，其厚度为100-600nm，所述透明导电层与所述衬底一体化设置；所述电荷传输层为有机材料或无机材料，用于将空穴(或电子)传输至对应电极；所述钙钛矿光吸收层为具有三维(分子式：abx3)或二维(a
12an-1bn
x
3n+1
或a2a
n-1bn
x
3n+13
)钙钛矿结构的光伏材料，用于吸收入射光；所述顶电极为具有较高功函数的金属材料。
17.作为优选，电荷传输层应具有不同电荷的传输特性，其中电子传输材料包括：采用二氧化钛tio2、二氧化锡sno2、氧化锌zno、c
60
溶液、[6,6]-苯基c
61
丁酸甲酯溶液中的任意一种，其厚度为70～150nm；空穴传输材料其采用三苯胺衍生物、2,2,7,7-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9-螺二芴spiro-ometad、聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐pedot:pss、聚(3-己基噻吩)p3ht、2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基二甲烷掺杂的聚三羧基胺ptaa：f4-tcnq、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]ptaa、硫氰酸亚铜cuscn、氧化镍nio
x
中的任意一种，其厚度为50～200nm。
[0018]
作为优选，所述钙钛矿光吸收层采用abx3型三维钙钛矿，其分子式abx3中的不同离子选用如下：正一价阳离子a，选用甲胺ma
+
、甲脒fa
+
、钾k
+
、铷rb
+
、铯cs
+
中的任意一种离子及任意几种离子的组合；正二价金属阳离子b，选用铅pb
2+
或者pb
2+
和锗ge
2+
、锡sn
2+
中的任意一种离子及任意几种离子的组合；负一价阴离子x，选用氯cl-、溴br-、碘i-中的任意一种离子及任意几种离子的组合。
[0019]
作为优选，所述钙钛矿光吸收层采用材料中的二维钙钛矿，其分子式a
12an-1bn
x
3n+1
或a2a
n-1bn
x
3n+13
中的不同离子选用如下：正一价阳离子a、正二价金属阳离子b、负一价阴离子x这三种离子的选用与三维钙钛矿的选用相同；正一价有机阳离子a1，选用苯乙胺pea
+
、丁胺ba
+
、乙胺ea
+
、二甲胺dma
+
、甲基三乙基铵mtea
+
、胍ga
+
、2-噻吩甲基铵thma
+
中的任意一种离子及任意几种离子的组合；正二价有机阳离子a2，选用3-氨甲基哌啶3amp
2+
、4-氨甲基哌啶4amp
2+
、3-氨甲基吡啶3ampy
2+
、4-氨甲基吡啶4ampy
2+
、乙二胺eda
2+
、n,n-二甲基苯胺dpa
2+
、丙烷1,3-二铵pda
2+
、1,4-丁二胺bda
2+
、2,5-二氨甲基噻吩thdma
2+
、对亚二甲苯二胺pdma
2+
、n,n-二甲基乙二胺dmeda
2+
中的任意一种离子及任意几种离子的组合。
[0020]
作为优选，金属电极，其采用金au、银ag、铜cu、碳电极中的一种，其厚度为100-1000nm。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0022]
一、本发明制备虫胶薄膜时用的溶剂乙醇为绿色溶剂，制备过程简易，且不会溶解钙钛矿电池中的所有材料，不会影响光电转换效率。
[0023]
二、本发明所使用的虫胶为天然无毒的树脂材料，成本极低，安全性高。
[0024]
三、本发明制备的虫胶薄膜不会影响导电玻璃的透光性，不会对钙钛矿电池的光电转换效率造成负面效果；
[0025]
四、基于本发明所涉及的铅基钙钛矿电池的固铅封装方法，可以实现99.9％的固铅率，极大的降低了铅泄露引起的公共健康风险，大大的推动了钙钛矿电池的商业化进展。
附图说明
[0026]
图1是本发明所制备的钙钛矿器件固铅封装示意图。
[0027]
图2是本发明所用固铅封装的封装效果图。
具体实施方式：
[0028]
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0029]
实施例1：将通过旋涂制备的fapbi3的铅基钙钛矿电池(psc)测试初始光电转换效率(pce),psc的v
oc
＝1.16v,j
sc
＝23.50ma/cm2,ff＝0.77,pce＝21.00％。然后将金虫胶的乙醇溶液(虫胶和无水乙醇的质量比为1:2)通过旋涂的方式分别制备在psc的下界面(ito下)以及上界面(金属电极上)。为方便无水乙醇溶剂的挥发，将psc抽真空处理10min。将完成封装的器件进行光电转换效率的测试，此时psc的v
oc
＝1.16v，j
sc
＝23.45ma/cm2，ff＝0.78，pce＝21.21％。然后将psc人为损坏，泡在去离子水中，对比器件为未经虫胶封装的器件。通过测试水中的铅含量来确定固铅率，即为泄漏到水中的铅离子占整个器件中铅离子的比例。结果显示，虫胶封装的样品固铅率为97.9％。
[0030]
实施例2：将通过旋涂制备的mapbi3的铅基钙钛矿电池测试初始光电转换效率,psc的v
oc
＝1.08v，j
sc
＝21.80ma/cm2，ff＝0.80，pce＝18.83％。然后将金虫胶的乙醇溶液(虫胶和无水乙醇的质量比为1:5)通过喷涂的方式分别制备在psc的下界面(ito下)以及上界面(金属电极上)。为方便无水乙醇溶剂的挥发，将psc在60℃热处理10min。将完成封装的器件进行光电转换效率的测试，此时psc的v
oc
＝1.08v,j
sc
＝21.70ma/cm2,ff＝0.80,pce＝18.75％。然后将psc人为损坏，泡在去离子水中，对比器件为未经虫胶封装的器件。通过测试水中的铅含量来确定固铅率，结果显示，虫胶封装的样品固铅率为98.8％。
[0031]
实施例3：将通过刮涂法制备的mapbi3的铅基钙钛矿电池测试初始光电转换效率,psc的v
oc
＝1.09v，j
sc
＝22.05ma/cm2，ff＝0.78，pce＝18.74％。然后将金虫胶的乙醇溶液(虫胶和无水乙醇的质量比为1:5)通过刮涂的方式分别制备在psc的下界面(ito下)以及上界面(金属电极上)。为方便无水乙醇溶剂的挥发，将psc在抽真空处理10min。将完成封装的器件进行光电转换效率的测试，此时psc的v
oc
＝1.10v，j
sc
＝22.00ma/cm2，ff＝0.79，pce＝19.11％。然后将psc人为损坏，泡在去离子水中，对比器件为未经虫胶封装的器件。通过测试水中的铅含量来确定固铅率，结果显示，虫胶封装的样品固铅率为99.1％。
[0032]
实施例4：通过旋涂法制备的mapbi3铅基钙钛矿电池，乙醇和金虫胶的质量比分别为2:1，3:1，4:1，5:1，然后用旋涂的方式制备在psc的下界面(ito下)以及上界面(金属电极上)。为方便无水乙醇溶剂的挥发，将psc在抽真空处理10min。将psc人为损坏，泡在去离子水中，对比器件为未经虫胶封装的器件。通过测试水中的铅含量来确定固铅率，结果如图2所示，乙醇和金虫胶质量比由低到高分别对应的固铅率为99.9％、99.2％、97.8％、97.4％。
[0033]
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

技术特征：
1.一种钙钛矿电池的铅封存方法，其特征在于，所述方法包括步骤：步骤1.将虫胶和低级醇按照一定的质量比配置成溶液；步骤2.将溶液分别涂覆在钙钛矿电池的上下表面，即金属电极侧和导电玻璃侧；步骤3.干燥处理后即可完成铅封存。2.根据权利要求1所述的钙钛矿器件的铅封存方法，其特征在于：步骤1所述的虫胶包括紫虫胶、金虫胶等在内的一种或多种。3.根据权利要求1所述的钙钛矿器件的铅封存方法，其特征在于：步骤1所述的虫胶和低级醇质量比的区间为1:2-1:5。4.根据权利要求1所述的钙钛矿器件的铅封存方法，其特征在于：步骤2所述的钙钛矿电池是铅基钙钛矿器件，包含所有含铅的钙钛矿电池器件。5.根据权利要求1所述的钙钛矿器件的铅封存方法，其特征在于：步骤2所述的虫胶溶液的涂敷方式包括旋涂、刮涂、喷涂、丝网印刷、卷对卷、压印、滚涂等在内的一种或多种。6.根据权利要求1所述的钙钛矿器件的铅封存方法，其特征在于：步骤3所述的后处理为退火、真空、自然晾干等在内的一种或多种。7.权利要求1-6任一所述的铅封存方法中使用的钙钛矿电池，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底、透明导电层、电荷传输层、含铅钙钛矿光吸收层、电荷传输层、顶电极。8.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述衬底为玻璃或者柔性塑料类材料制成；所述透明导电层采用氧化铟锡ito或氟掺杂氧化锡fto材料中的一种，所述透明导电层与所述衬底一体化设置；所述电荷传输层和为有机材料或无机材料，用于将空穴(或电子)传输至对应电极；所述钙钛矿光吸收层为具有三维(分子式：abx3)或二维(a
12
a
n-1
b
n
x
3n+1
或a2a
n-1
b
n
x
3n+13
)钙钛矿结构的光伏材料，用于吸收入射光；所述顶电极为具有较高功函数的金属材料。9.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：电荷传输层与应具有不同电荷的传输特性，其中电子传输材料包括：采用二氧化钛tio2、二氧化锡sno2、氧化锌zno、c
60
溶液、[6,6]-苯基c
61
丁酸甲酯溶液中的任意一种；空穴传输材料其采用三苯胺衍生物、2,2,7,7-四[n,n-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9-螺二芴spiro-ometad、聚3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐pedot:pss、聚(3-己基噻吩)p3ht、2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基二甲烷掺杂的聚三羧基胺ptaa：f4-tcnq、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]ptaa、硫氰酸亚铜cuscn、氧化镍nio
x
中的任意一种。10.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿光吸收层采用abx3型三维钙钛矿，其分子式abx3中的不同离子选用如下：正一价阳离子a，选用甲胺ma
+
、甲脒fa
+
、钾k
+
、铷rb
+
、铯cs
+
中的任意一种离子及任意几种离子的组合；正二价金属阳离子b，必须选用铅pb
2+
，同时也可选用锗ge
2+
和pb
2+
、锡sn
2+
和pb
2+
的两种离子及3种离子的组合；负一价阴离子x，选用氯cl-、溴br-、碘i-中的任意一种离子及任意几种离子的组合。11.根据权利要求7所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：金属电极，其采用金au、银ag、铜cu、碳电极中的一种。

技术总结
本发明公开了一种天然树脂虫胶用于铅基钙钛矿电池器件铅封存的方法，通过将虫胶溶于低级醇中，然后将虫胶溶液通过喷涂等方式分别制备在钙钛矿电池器件的上下表面，待溶剂挥发完全后，即完成了对钙钛矿电池的铅封存。本发明提出的利用虫胶对铅基钙钛矿器件进行铅封存的方法具有广泛的普适性，成本极低，铅封存的效果显著。的效果显著。的效果显著。


技术研发人员：张国栋 郑毅帆 王浩男 濮俊杰 丁国育 邵宇川
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/9