[发明专利]一种具有梯度能带结构的有机‑无机杂化钙钛矿MAPbBr3材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光电转换领域。更具体地，涉及一种具有梯度能带结构的有机-无机杂化钙钛矿MAPbBr₃材料及其制备方法。

背景技术

随着环境污染的加重，用清洁能源替代传统的化石能源才能从根本上缓解能源危机，解决生态环境问题。太阳能电池一直是清洁可再生能源研究的热点。2013年，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池异军突起，由于其简单的制备方法、低廉的成本、较高的光电转换效率(2014年已经达到了19.3％)，有望替代传统太阳能电池。

最常见的有机-无机钙钛矿类型的光电材料是甲胺卤化铅材料(CH₃NH₃PbX₃,X＝Br,Cl,I)。该类材料包含有机阳离子、金属离子、卤族元素阴离子。以MABX₃结构为例，其中MA代表有机阳离子CH₃NH₃⁺，B为二价金属离子，X为卤素阴离子，其结构为钙钛矿构型。有机-无机杂化钙钛矿材料通常用做太阳能电池的吸收层，是有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的核心部分。MABX₃钙钛矿材料的结构和性能的调整直接决定着整个电池的设计和效率。

MAPbI₃由于其吸收光谱宽、吸收系数大、高的载流子迁移率，非常适合作为太阳能电池的吸收层。然而实验中发现，MAPbI₃薄膜不稳定，遇水容易分解，无法在空气中长期保存，这个缺点导致其制备的太阳能电池很不稳定，放在空气中电池效率下降非常快。后续研究发现，导致MAPbI₃不稳定的原因主要是含I的无机基团容易分解。于是，研究人员开始使用Cl、Br对卤族元素I进行替换，以便提高MAPbX₃薄膜的稳定性，调节薄膜的光学性能。实验表明，通过调节MAPb(I_1-xBr_x)₃中Br的含量大大改善了薄膜的稳定性。且随着Br含量的增加，材料的晶体结构和能带结构也发生了相应的变化。

现有的MAPbI₃和MAPbBr₃的制备方法多样，有真空蒸发法、旋涂法等。采用旋涂法制备样品又分为一步法和两步法。旋涂一步法是将MAI和 PbI₂/PbBr₂混合溶解，将混合后溶液旋涂在衬底上制备得到MAPbI₃/MAPbBr₃薄膜。旋涂两步法是先将PbI₂/PbBr₂旋涂在衬底上，再在衬底上在旋涂一层MAI/MABr，经过热处理形成MAPbI₃/MAPbBr₃薄膜。MAPb(I_1-xBr_x)₃薄膜材料的制备方法是先分别制备MAPbI₃溶液和MAPbBr₃溶液，将MAPbI₃溶液和MAPbBr₃溶液按照不同配比混合，旋涂在衬底上得到MAPb(I_1-xBr_x)₃，其中x从0-1.0变化。现有制备得到的MAPbI₃是四方晶系(etragonal)，禁带宽度为1.5eV，为单一光学带隙材料。随着MAPb(I_1-xBr_x)₃中Br的含量的增加，得到立方晶系(cubic)的MAPbBr₃，禁带宽度为2.2eV。即，现有的MAPb(I_1-xBr_x)₃材料的禁带宽度在1.5-2.2eV范围内可调。这几乎覆盖所有可见光区，通过调节Br的含量可以实现多颜色的太阳能电池，但是该材料的制备略为繁琐，同时需要PbI₂、PbBr₂。另一方面，随着Br含量的增加，MAPb(I_1-xBr_x)₃材料做为吸收层的太阳能电池的转化效率在逐渐降低，稳定性依然较弱，现有的MAPbI₃在4天左右的时间就会完全分解，而MAPb(I_1-xBr_x)₃材料在x大于0.2时稳定性才会提高，可以达到20天。