一种利用硒醚聚合物提高全无机钙钛矿太阳能电池效率的方法和应用

有机化合物处理,合成应用技术1.本发明属于聚合物材料和能源材料技术领域，具体涉及一种利用硒醚聚合物提高钙钛矿太阳能电池效率的方法和应用。背景技术：2.太阳能电池由于其高效、便捷、环境友好的特性，一直受到企业界和科技界的关注。全无机太阳能电池cspbx3（x=i，br）或者cspbiabrb（a+b=3）作为一类新型的太阳能电池，相比于有机-无机杂化太阳能电池的热及化学稳定性更好，且光电转化效率也比较高，因而成为当前的研究热点。3.虽然cspbx3或cspbiabrb钙钛矿太阳能电池的研究取得了较大的进展，但其光电转换效率还明显偏低，与理论值相比还有较大差距，造成该结果的一个主要原因是制备的钙钛矿膜质量较差，存在大量的缺陷，从而在电池内引起严重的电荷负荷，因此，提高钙钛矿膜质量成为进一步提高钙钛矿太阳能电池光电性能的关键之一。近年来，通过在无机钙钛矿前驱体中加入聚合物提高无机钙钛矿的结晶质量和稳定性引起了研究人员的极大兴趣，现阶段也取得了一些成果，但仍有进一步提高的空间，具体体现在以下几个方面：（1）分子中含有孤对电子的原子可以钝化钙钛矿中铅、碘缺陷；（2）交联聚合物可以存在于钙钛矿晶界和表面，防止水分渗透，保护钙钛矿；（3）交联聚合物存在于晶界，通过和钙钛矿的相互作用，作为晶界增韧剂，提高钙钛矿耐弯曲性能，从而提高钙钛矿太阳能电池的效率和使用寿命等。技术实现要素：4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能够光交联的含硒醚聚合物及其制备方法，并将含硒聚合物和钙钛矿采用简单掺杂的方式，同时实现硒醚对钙钛矿中铅、碘缺陷的钝化和聚合物光交联，从而提高钙钛矿太阳能电池的效率，使其更具有产业上的利用价值。5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的第一个目的是提供一种能够光交联的含硒醚聚合物，所述聚合物结构如下：其中，r1选自含烷基链的基团，r2为硒醚基团，r3独立选自含芳香环或含脂肪环基团，50≤n≤200。6.进一步的，r1独立选自：、、、、、或。7.进一步的，r2独立选自或。8.进一步的，r3独立选自、、或。9.本发明的第二个目的是提供所述聚合物的制备方法，包括如下步骤：（1）将含硒醚单体、苯乙烯单体、引发剂加入溶剂中，除氧后加热进行聚合反应，得到聚合物溶液；（2）将步骤（1）中得到的聚合物溶液通过沉淀剂沉淀，洗涤，烘干后得到聚合物粉末。10.进一步的，所述的含硒醚单体与苯乙烯单体的摩尔比为1:1~5。11.进一步的，所述的聚合反应优选在惰性气体保护下进行；进一步的，惰性气体优选氩气。12.进一步的，所述溶剂为n，n-二甲基甲酰胺（dmf）、n，n-二甲基乙酰胺（dmac）、甲基吡咯烷酮（nmp）和甲苯的一种或一种以上混合；进一步的，所述溶剂优选无水的甲苯。13.进一步的，在步骤（1）中，聚合反应的温度为50~80℃；进一步所述聚合温度优选为60~65℃。14.进一步的，在步骤（1）中，引发剂为偶氮二异丁腈（aibn）或过氧化二苯甲酰（bpo）中的一种或两种；进一步的，所述引发剂优选为aibn。15.进一步的，在步骤（2）中，烘干的温度为60~100℃；进一步的，所述烘干温度优选为70~80℃。16.进一步的，在步骤（2）中，沉淀剂为甲醇、石油醚或正己烷中的一种或一种以上的组合；进一步的，所述沉淀剂优选为甲醇。17.进一步的，在步骤（1）中，所述的含硒醚类单体为4-苯基硒醚亚甲基马来酰亚胺、4-苯基硒醚乙基马来酰亚胺、4-苯基硒醚丙基马来酰亚胺、4-苯基硒醚丁基马来酰亚胺、4-苯基硒醚戊基马来酰亚胺、4-苯基硒醚己基马来酰亚胺、4-苯基硒醚庚基马来酰亚胺、4-苯基二硒醚亚甲基马来酰亚胺、4-苯基二硒醚乙基马来酰亚胺、4-苯基二硒醚丙基马来酰亚胺、4-苯基二硒醚丁基马来酰亚胺、4-苯基二硒醚戊基马来酰亚胺、4-苯基二硒醚己基马来酰亚胺、4-苯基二硒醚庚基马来酰亚胺、4-萘基硒醚亚甲基马来酰亚胺、4-萘基硒醚乙基马来酰亚胺、4-萘基硒醚丙基马来酰亚胺、4-萘基硒醚丁基马来酰亚胺、4-萘基硒醚戊基马来酰亚胺、4-萘基硒醚己基马来酰亚胺、4-萘基硒醚庚基马来酰亚胺、4-萘基二硒醚亚甲基马来酰亚胺、4-萘基二硒醚乙基马来酰亚胺、4-萘基二硒醚丙基马来酰亚胺、4-萘基二硒醚丁基马来酰亚胺、4-萘基二硒醚戊基马来酰亚胺、4-萘基二硒醚己基马来酰亚胺、4-萘基二硒醚庚基马来酰亚胺中的任意一种。18.进一步的，4-苯基硒醚丙基马来酰亚胺（phsepmi）的制备方法包括以下步骤：在有机溶剂中，3-氯丙胺盐酸盐与二苯基二硒醚在70~90℃下反应，得到正丙基苯基硒醚（phpase），在经过phpase与马来酸酐在室温下反应后经过提纯处理得到4-苯基硒醚丙基马来酰亚胺（phsepmi）。19.进一步的，所述反应优选在惰性气体保护下进行，惰性气体优选氩气；合成phpase的反应有机溶剂为乙醇、甲醇、乙酸乙酯一种或几种，优选乙醇；反应温度为70~90℃，优选80℃；其中phpase与马来酸酐反应中溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮中的一种或几种，优选三氯甲烷；反应温度为20~40℃，优选25℃；关环反应优选醋酸钠/醋酸酐/四氢呋喃体系，关环反应的具体反应式如下：更进一步的，所述对3-氯丙胺盐酸盐与二苯二硒醚的摩尔比为4~8：2~4；中间体phpase与马来酸酐的摩尔比为2~3：3~5。20.本发明的第三个目的是利用硒醚聚合物提高钙钛矿太阳能电池效率的应用，具体为提供一种含硒醚聚合物掺杂全无机钙钛矿材料的方法，包括如下步骤：（1）将含硒醚聚合物用有机溶剂溶解后加入到钙钛矿材料中；（2）将步骤（1）得到的掺杂材料经退火、紫外光照测试性能。21.进一步的，所述的含硒醚聚合物与钙钛矿的质量比为1：1~5。22.进一步的，所述有机溶剂为n，n-二甲基甲酰胺、n，n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜的一种或一种以上的混合溶剂；进一步的，所述有机溶剂优选二甲基亚砜。23.进一步的，所述的退火温度为120~200℃；进一步的，所述退火温度优选160℃。24.进一步的，所述的紫外光照时间为5~10min；进一步的，所述光照时间优选为8min。25.与现有技术相比，本发明具有以下有益性技术效果：（1）本发明首次公开了一种可光交联的硒醚聚合物，含硒醚聚合物通过核磁共振氢谱1h nmr），傅里叶红外光谱（ft-ir）测试验证了其结构，还公开了该聚合物有效提高全无机钙钛矿太阳能电池的方法，通过合成的含硒醚聚合物与钙钛矿简单掺杂，利用该聚合物产生的硒自由基对钙钛矿中铅、碘缺陷钝化作用，以及该聚合物还能够在紫外光照射下实现光交联的特性，交联后的聚合物存在于钙钛矿晶界和表面，能够防止水分渗透，保护钙钛矿和增韧作用，从而极大地提高钙钛矿太阳能电池的效率和使用寿命等，拓展了全无机太阳电池的使用领域；（2）本发明所合成的含硒醚单体，聚合物光照产生自由基，聚合物光交联，聚合物掺杂钙钛矿材料的开路电压-短路电流分别通过电子自旋共振谱（esr）、流变仪和数字源表进行测试，通过测试结果发现含硒醚聚合物掺杂全无机钙钛矿太阳能电池性能有着显著提高，开路电压为从1.15 v提高到1.22 v，短路电流从14.46 ma/cm2提高到14.50 ma/cm2，填充因子从75.26%提高到78.10%，光电转换效率从12.56%提高到13.81%，通过测试结构能够说明含硒醚聚合物对提高全无机钙钛矿太阳能电池性能的作用。附图说明26.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。27.图1为4-苯基硒醚丙基马来酰亚胺（phsepmi）的核磁氢谱；图2为含硒醚聚合物1的分子量流出曲线；图3为含硒醚聚合物1的傅里叶红外光谱；图4为含硒醚聚合物1掺杂到全无机钙钛矿材料中的开路电压-短路电流的曲线图；图5为含硒醚聚合物1光照产生自由基的电子自旋共振谱；图6为含硒醚聚合物1光交联后的流变测试曲线。具体实施方式28.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。29.本发明申请中的相关测试条件依次如下：1.核磁氢谱（1h nmr）测试是通过bruker 300mhz核磁仪在氘代二甲亚砜为溶剂测得；2.聚合物分子量测试是通过将样品溶于含溴化锂的dmf，浓度为2 mg/ml，过滤后置于专用样品瓶中，送样测试；3.傅里叶红外变换光谱（ft-tr）测试是通过将聚合物粉末与无水kbr混合后压片用 bruker tensor 27 ft-ir测试；4.流变测试通过thermo scientific haake mars 40流变仪在25℃下测试；5.电子自旋共振（esr）实验通过jeol resonance jes-x320 esr光谱仪在室温下进行，一般实验参数如下：微波功率：1 mw，微波频率：9147 mhz，调频：100 khz，放大倍数：300，扫场范围：100 g，中心场：336 g，光源使用u360紫外灯；6.开路电压-短路电流的曲线图通过单晶硅电池src-00019校正ss-f5-3a太阳模拟器的光强（am 1.5g 100 mw/cm2），然后通过keithley 2400提供连续外加偏压测得该曲线。30.【实施例1】本实施例提供了一种含硒醚聚合物，含硒醚聚合物的制备方法及其与钙钛矿材料掺杂应用方法如下：聚合物制备过程：将phsepmi（核磁图谱见图1），苯乙烯和偶氮二异丁腈(aibn)以摩尔比250：250：1为原料配比；本实施例中定量phsepmi为2 mol，就可以通过计算依次得到其他原料的用量，并加入0.5 ml甲苯作为溶剂；待各原料加好后，加入搅拌子，冷冻除氧密封后60℃反应8h，得到粘稠的聚合物溶液；加入少量四氢呋喃，稀释后，缓慢滴入甲醇中沉淀出聚合物，再经过抽滤，洗涤，真空烘干后得到最终的聚合物，命名为含硒醚聚合物1。31.将得到的含硒聚合物1以0.3 mg/ml溶于二甲基亚砜溶剂中，取8ul添加到300ul的钙钛矿cspbi1.8br1.2溶液中，得到掺杂材料；该掺杂材料经过160℃退火的同时，用紫外光照射7min，最后测试其电压-电流曲线。图2中提供了得到的含硒醚聚合物1的分子量信息；图3中提供了含硒醚聚合物1的结构信息；图4提供了含硒醚聚合物1掺杂到全无机钙钛矿材料中的开路电压-短路电流的曲线图。32.以下实施例2为对比实施例，没有掺杂硒醚聚合物的钙钛矿材料的制备。33.【实施例2】本实施例提供了一种没有掺杂硒醚聚合物的钙钛矿材料钙钛矿cspbi1.8br1.2，其制备方法具体如下：cspbi1.8br1.2溶液是由csi、pbi2和pbbr2以1.2 mmol/l的规格溶于二甲基亚砜中得到。300ul的cspbi1.8br1.2溶液中旋涂成膜后经过160℃退火的同时，用紫外光照射7min，最后测试其电压-电流曲线；图4提供了全无机钙钛矿材料cspbi1.8br1.2的开路电压-短路电流的曲线图。34.图2为含硒醚聚合物1的分子量流出曲线，从该图可以看出，所得到的聚合物分子量较大，能够很好的掺杂钙钛矿。35.图3为含硒醚聚合物1的傅里叶红外光谱，从图中可以看出，2780ꢀ‑ꢀ3120 cm-1的特征吸收带归属于聚合物链上的烷基c-h振动，而1765 cm-1、1699 cm-1和1398 cm-1三处特征吸收归于酰亚胺结构，证明了聚合物的结构。36.图4为全无机钙钛矿材料cspbi1.8br1.2的开路电压-短路电流与含硒醚聚合物1掺杂到全无机钙钛矿材料中的开路电压-短路电流的对比曲线图，从图中可以看出在钙钛矿cspbi1.8br1.2中掺杂含硒醚聚合物1后开路电压为从1.15 v提高到1.22 v，短路电流从14.46 ma/cm2提高到14.50 ma/cm2，填充因子从75.26%提高到78.10%，光电转换效率从12.56%提高到13.81%。37.另外还对含硒醚聚合物的光照产生自由基和光交联进行了证明，测试如下：1.含硒醚聚合物光照产生自由基测试：图5为含硒醚聚合物1光照产生自由基的电子自旋共振谱，从图中可以看出，在光照后，含硒醚聚合物1链结构上烷基c-se键断裂，产生在聚合物上的碳自由基和可离去的phse自由基。38.2.含硒醚聚合物光交联测试：将含硒醚聚合物1溶液在光照12小时后，得到不能流动的淡黄色固体，形成了凝胶状物体。39.图6为含硒醚聚合物1光交联后的流变测试曲线，从图中a可以看出，在剪切频率为1ꢀ‑ꢀ10 hz范围内，聚合物都表现出g' 》 g''；从图中b可以看出，在定频率1 hz下，0ꢀ‑ꢀ300秒内，聚合物也表现出g' 》 g''；说明得到的固体是有机凝胶，含硒聚合物1光照后从原来的线性结构向体型（交联）结构转变。40.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。









图片声明：本站部分配图来自人工智能系统AI生成,觅知网授权图片,PxHere摄影无版权图库。本站只作为美观性配图使用,无任何非法侵犯第三方意图,一切解释权归图片著作权方,本站不承担任何责任。如有恶意碰瓷者,必当奉陪到底严惩不贷!




内容声明：本文中引用的各种信息及资料（包括但不限于文字、数据、图表及超链接等）均来源于该信息及资料的相关主体（包括但不限于公司、媒体、协会等机构）的官方网站或公开发表的信息。部分内容参考包括:(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供参考使用,不准确地方联系删除处理！本站为非盈利性质站点,发布内容不收取任何费用也不接任何广告!




免责声明：我们致力于保护作者版权，注重分享，被刊用文章因无法核实真实出处，未能及时与作者取得联系，或有版权异议的，请联系管理员，我们会立即处理，本文部分文字与图片资源来自于网络，部分文章是来自自研大数据AI进行生成,内容摘自(百度百科,百度知道,头条百科,中国民法典,刑法,牛津词典,新华词典,汉语词典,国家院校,科普平台)等数据,内容仅供学习参考,不准确地方联系删除处理!的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请立即通知我们，情况属实，我们会第一时间予以删除，并同时向您表示歉意,谢谢!