[发明专利]一种环境友好型钙钛矿光伏材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏材料领域，特别涉及钙钛矿结构的光伏材料的领域。

背景技术

钙钛矿结构的材料是指的任何与钛酸钙CaTiO₃具有相同晶体结构的材料，实验发现，当金属卤化物材料形成钙钛矿结构后，在光伏太阳能电池中作为采集层是非常有效的，能够成功地将太阳能转化为电能，基于该发现，2009年，钙钛矿结构的材料正式应用于薄膜太阳能电池中，在接下来的几年中，钙钛矿结构的材料在光伏领域有了极大的发展，光电转换率不断提升，特别是金属卤化物类钙钛矿材料，其原料一般为廉价的铅、卤素、及胺盐，来源广泛，制造成本较以往的硅基材料更低，在光电转化率方面，其从最初的3.8%发展到15.9%仅用了不到5年的时间，已经逐步接近硅基光伏材料的效率，部分学者进一步预言了其光电转化效率将很快超过单晶硅类的光伏材料，达到30%，因此使用钙钛矿结构的光伏材料的太阳能电池将能够完全取代传统的使用硅类光伏材料的太阳能电池。

CH₃NH₃PbX₃ （X代表卤素，主要包括Cl、Br、I）是钙钛矿类光伏材料中的一种主要代表，由染料敏华太阳能电池中的染料转变而来，其吸收系数高，制造成本低，还可以通过对组成的调节，改变颜色和作为光伏材料使用时的带隙。但作为CH₃NH₃PbX₃中主要的组成部分的Pb元素却具有较大的毒性，且容易泄露，导致土地与环境污染，危害人体，因此寻找铅的替代元素是非常必要的。同时的其中的卤素阴离子稳定性也不够好，在潮湿或高温环境下容易发生化学反应，导致其组装得到的太阳能电池失效，在实际应用时不得不将整个电池进行封装，导致电池的制造成本增加，因此同时寻找更好的卤素的替代元素也是必要的。

目前已初步制备成功了Sn取代或杂化Pb的钙钛矿光伏材料，其具有更广的光吸收谱和更高的短路光电流密度，但直接使用Sn取代Pb元素的钙钛矿太阳能电池难以显示出良好的光转化性能，而不得不需要保持晶体中仍然含有一定量的Pb以维持Sn的价态，延长光生粒子的寿命，同时，相对于CH₃NH₃PbX₃类钙钛矿光伏材料，Sn基钙钛矿的制备过程复杂，工艺条件苛刻，产率较低，也阻碍了其发展。

CH₃NH₃PbX₃晶体为典型的ABX₃构型，其中有机分子甲胺位于由Pb与X形成的八面体的内部中间，随着温度的不同，晶体呈现不同的相，在常温下，CH₃NH₃PbX₃晶体为四方相，禁带宽度约为1.55eV；其能带的上价带由卤素原子和Pb原子的经轨道杂化生成的σ反键组成，下价带由被占据的有机分子态组成，导带底由Pb原子的外层电子组成，导带顶由未占据的有机分子态组成，有机阳离子CH₃NH₃^﹢的主要作用为电荷补偿，而Pb离子和卤素离子则主要影响导带、价带的带边和禁带的宽度。因此，通过对金属阳离子Pb和卤素X的替换可以调节钙钛矿晶体的光伏性能，对有机阳离子的替换可以调节钙钛矿晶体在光电转换过程中的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环境友好型的稳定的钙钛矿结构的光伏材料，其能够代替传统的卤化甲胺铅类的钙钛矿结构的光伏材料。

本发明的技术方案为：

一种环境友好型钙钛矿光伏材料的制备方法，包括以下步骤：

1）第一基材制备

将卤化甲胺溶于第一有机溶剂中得到卤化甲胺的有机溶液，将卤化铅溶于第一有机溶剂中得到卤化铅的有机溶液，其后将卤化甲胺的有机溶液缓慢滴入卤化铅的有机溶液中，于70~90℃下加热20~30min，得到第一基材；

2）阴离子替换

将铅盐溶于第二有机溶剂中得到铅盐的有机溶液，将所述第一基材加入铅盐的有机溶液中，搅拌得到混合液，将所述混合液于40~60℃下加热20~30min，加热过程中向所述混合液中不断滴加醋酸至加热结束，其后将溶液于室温下静置30~60min后过滤，得到的固体为第二基材；

所述铅盐为选自硝酸铅、硫酸铅、磷酸铅中的一种或多种；

3）阳离子替换