[发明专利]一种金属掺杂钙钛矿薄膜、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种金属掺杂钙钛矿薄膜、其制备方法及应用。本发明中金属掺杂钙钛矿薄膜的制备方法具体是：将金属粉末溶解在HX溶液中，形成含有金属离子的HX溶液，X为Cl、Br或I；将含有金属离子的HX溶液与甲胺溶液通过混合、烘干，制备成掺杂金属离子的MAX粉末；将掺杂金属离子的MAX粉末与铅盐混合并溶于二甲基甲酰胺中，制备成钙钛矿前驱液；所述铅盐为PbBr₂、PbI₂或PbCl₂；将钙钛矿前驱液通过旋涂工艺制备成掺杂金属离子的钙钛矿薄膜。本发明通过液相一步法制备出了掺杂金属离子的钙钛矿薄膜，所制备的钙钛矿薄膜覆盖度得到明显的增加，完全可以满足钙钛矿太阳能电池对钙钛矿薄膜高质量的要求。

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体地说是一种金属掺杂钙钛矿薄膜、其制备方法及应用。

背景技术

太阳能电池能够将太阳能直接转换成电能，由于太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，因此太阳能电池是人类应对能源危机，寻求可持续发展的重要对策。目前，晶体硅太阳能电池占有89%的光伏市场份额。然而，昂贵的原材料及其繁琐的电池工艺限制了晶体硅太阳能电池的长远发展。在过去的十年里，薄膜太阳能电池包括硅基薄膜、Cu(In，Ga)Se_2-xS_x以及CdTe电池等也开始实现大规模产业化。作为第三代太阳能电池的杰出代表，钙钛矿太阳能电池是一种以有机无机钙钛矿材料产生光生电子和空穴对的一类新型全固态有机金属卤化物薄膜太阳能电池。钙钛矿太阳能电池具有能量转换效率高，载流子扩散长度长、迁移率高，核心光电转换材料廉价易得等优点，经过短短五年的发展，其实验室转换效率从3.8%提升至20.1%左右。

目前，钙钛矿太阳能电池中所用到的钙钛矿材料主要是碘化铅甲胺（CH₃NH₃PbI₃），它的带隙约为1.5 eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800 nm以下的太阳光。CH₃NH₃PbI₃在制备时通常采用液相一步法来完成，即：将PbI₂与CH₃NH₃I以一定的摩尔比例混合，然后溶解于N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，待完全溶解后旋涂于相应的基底上，之后对薄膜进行热处理即形成CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜。但是，采用液相一步法所制备的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿薄膜覆盖度差，导致空穴传输层（HTM）与致密层直接接触，致使电子空穴对复合增加，影响电池的性能。而且，平板异质结电池存在电池正反扫回滞大，电池效率不稳定等问题。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种金属掺杂钙钛矿薄膜，该金属掺杂钙钛矿薄膜通过掺入金属离子来提高钙钛矿薄膜的质量及覆盖度，可用来制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池。

本发明的目的之二就是提供一种金属掺杂钙钛矿薄膜的制备方法，该方法通过液相一步旋涂法可制备出掺杂金属离子的高质量的钙钛矿薄膜。

本发明的目的之三就是提供一种上述金属掺杂钙钛矿薄膜的应用，即：提供一种钙钛矿太阳能电池，该钙钛矿太阳能电池中应用了上述掺杂金属离子的高质量的钙钛矿薄膜。

本发明的目的之一是这样实现的：一种金属掺杂钙钛矿薄膜，在钙钛矿薄膜中掺有Al、Zn、Fe、Cu、Ag或Mn金属离子。

高质量的钙钛矿薄膜须具有以下几个特点：(1) 较好的覆盖度；(2) 较少的晶界，即较大尺寸的晶粒结构；(3) 好的结晶性，取向性；(4) 较高的稳定性；(5) 好的吸收能力；(6) 较好的电子—空穴传输能力。本发明通过掺入金属离子制备出了金属掺杂的钙钛矿薄膜，制备成本低廉，且所获得的钙钛矿薄膜的质量较高。