[发明专利]一种钙钛矿太阳电池光吸收层涂布液及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿太阳电池光吸收层涂布液及其制备方法，特别是以碘化银 作为结晶诱导剂的钙钛矿太阳电池光吸收层涂布液，能够明显改善钙钛矿太阳电池光吸收 层结晶性能，属于新能源和新材料领域。

技术背景

基于有机金属卤化物钙钛矿结构光吸收材料制备的太阳能电池被称为钙钛矿太 阳电池，目前其光电转换效率已超过20%,未来可望达到50%，将来可制成彩色薄膜电池装 饰安装在建筑物表面促进光伏一体化建筑发展，虽然钙钛矿太阳电池光电转换效率数据正 在不断刷新，但对其扩大研究和产业化中的存在的问题未引起足够重视。

目前国内外对卤化物钙钛矿光吸收材料CH₃NH₃PbI₃研究比较多，它是一种半导体 光吸收材料，其带隙约为1.5eV，能充分吸收400-800nm的可见光，同时高效完成入射光 的吸收、光生载流子的激发、输运、分离等多个过程。因其具有光吸收性能良好、制备条件温 和、光电转化效率高的特性，成为最有发展前景的钙钛矿电池光吸收材料。

钙钛矿光吸收材料CH₃NH₃PbI₃是将原料PbI₂和CH₃NH₃I溶解在有机溶剂中，然后混 合涂布或先后涂布在衬底材料上形成钙钛矿太阳电池光吸收层，可分为一步法和二步法。

一步法是指将CH₃NH₃I与PbI₂共同溶解在γ-丁内酯为代表的极性有机溶剂中，使 其在溶剂中加热反应生成CH₃NH₃PbI₃，然后将溶液旋涂在衬底材料上，随着溶剂挥发反应不 断进行，从膜层表面颜色改变可显示反应形成了CH₃NH₃PbI₃钙钛矿光吸收层。早期申请的发 明专利中一般采用一步法，例如，美国专利US2015200377（2015-07-16）、US2015249170 （2015-09-03）和US2015349282（2015-12-03）。一步法制备的光吸收层光电转换效率不高， 主要原因是一步法制备的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿光吸收层表面粗糙不均匀，未能将纳米TiO₂骨架材料完全覆盖,裸露的骨架与空穴传输层连接，导致内部严重的电子复合。

二步法是指先将PbI₂粉末溶于二甲基甲酰胺为代表的极性有机溶剂中，将其旋 涂在有纳米TiO₂骨架层的衬底材料上，待溶剂挥发晾干后，将衬底材料浸入含有CH₃NH₃I的 异丙醇溶液中或再涂布CH₃NH₃I异丙醇溶液，加热处理制得CH₃NH₃PbI₃钙钛矿光吸收层。二步 法制备的钙钛矿光吸收层光电转换效率比一步法制备的高，主要原因是PbI₂晶体的尺寸 被纳米TiO₂骨架的空隙限制在20nm以内,大大提高了PbI₂与CH₃NH₃I反应的接触面 积,并能够更好地控制CH₃NH₃PbI₃钙钛矿光吸收层的表面形貌。目前研究中大多采用二步法 制备钙钛矿光吸收层，例如，美国专利US2015279573（2015-10-01）和US2015287852（ 2015-10-08）。

从应用角度考虑，二步法原位制备CH₃NH₃PbI₃钙钛矿光吸收层工艺控制条件复杂， 影响因素比较多，衬底材料的晶体结构和表面形貌也影响钙钛矿光吸收层性能，不适合扩 大研究和产业化应用。市场期待一种钙钛矿太阳电池光吸收层涂布液，使用简单的一步法 能够得到二步法同样的或更好的钙钛矿光吸收层。

发明内容