[发明专利]一种钙钛矿型光电转换复合材料溶胶及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿型光电转换复合材料溶胶及其制备方法，特别是采用二酰亚胺和甲胺混合制备钙钛矿型光电转换复合材料溶胶，以调节钙钛矿型光吸收材料带隙和提高光电转换效率，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%。 钙钛矿太阳电池通常是由透明导电玻璃、致密层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层、金属背电极五部分组成。钙钛矿光吸收层的厚度一般为200-600nm，主要作用是吸收太阳光并产生电子-空穴对，并能高效传输电子-空穴对。

钙钛矿光吸收材料典型分子式为AMX₃，其中, A代表一价的铵离子或金属离子， M代表金属阳离子, X代表卤素阴离子。目前国内外对金属阳离子和卤素阴离子的研究比较透彻，但对一价的铵离子的组成、结构和作用机制研究的很少和不清楚。

目前国内外对钙钛矿型光吸收材料碘化甲胺铅（CH₃NH₃PbI₃）研究比较多，它是由碘甲胺和碘化铅反应生成的一种无机-有机复盐或配位化合物，它也是一种半导体光吸收材料，其带隙约为 1.5eV，能充分吸收波长 400-800nm 的可见光，具有光吸收性能良好、制备简单和光电转换效率高的特性。其主要不足为：（1）耐温性不好，要求光吸收层的热处理温度小于150℃，在该温度下光吸收层制备中的添加剂不能完全分解；（2）环境稳定性较差，容易为大气中湿气、紫外光或催化剂分解；（3）吸收光波长范围局限在可见光区，对紫外光和红外光几乎不吸收；（4）成膜性能不好，容易形成疏松粗大的结晶体，难以大面积均匀涂布。

改善钙钛矿型光吸收材料性能，可以从钙钛矿型光吸收材料组成设计入手。例如，中科院青岛生物所采用C1-C4的伯胺、甲脒或其混合物制备钙钛矿结构光吸收材料，获得良好的光电转换效率；厦门大学发明专利CN106058060(2016-10-25)公开采用甲胺和甲脒混合制备钙钛矿结构光吸收材料薄膜；武汉理工大学发明专利CN105742502(2016-07-06)公开采用碘苯乙胺、碘化亚锡和碘化铅混合制备带隙可调的钙钛矿结构光吸收材料；华中科技大学发明专利CN103762344(2014-04-30)公开采用氨基丁酸两性分子和甲胺混合制备钙钛矿结构光吸收材料；美国专利US20150249170(2015-09-03)公开用长链有机胺制备钙钛矿结构光吸收材料，但没有公开长链有机胺的详细情况；美国专利US20150200377(2015-07-16)公开用一系列伯、仲、叔、季胺化合物制备钙钛矿结构光吸收材料，但没有提供胺类化合物的实施例；中国专利CN103554171(2014-02-05)公开采用1-氨基吡啶希弗碱与氯化铅配合作为潜在的介电材料；中国专利CN102337593(2012-02-01)公开1-乙基-3-甲基咪唑三溴化碘钙钛矿结构光吸收材料制备方法。

改善钙钛矿光吸收膜性能，也可以从钙钛矿光吸收材料结构入手。例如，新加坡南洋理工大学发明专利WO2016126211(2016-08-11)公开将钙钛矿光吸收材料与纳米粘土粒子在有机溶剂中形成溶胶，纳米粒子作为晶种，改善了钙钛矿光吸收材料的微观结构和成膜性能；天津市职业大学发明专利CN105789339 (2016-07-20)公开将钙钛矿光吸收材料与纳米二氧化硅粒子在有机溶剂中形成溶胶，纳米粒子作为光吸收材料晶种和骨架材料，一步得到光滑均匀的光吸收层；南开大学发明专利CN104218109 (2014-12-17)公开将聚乙烯吡咯烷酮与钙钛矿光吸收材料混合，改善了钙钛矿光吸收材料的微观结构和成膜性能，大大提高光电转换效率。

虽然钙钛矿太阳电池光电转换效率数据正在不断刷新，从研究角度看钙钛矿型光吸收材料中有机阳离子品种少和创新潜力大；从应用角度看钙钛矿光吸收材料成膜性能差，还不能满足大面积钙钛矿太阳电池光吸收层工程化涂布要求。太阳能技术开发和产业化的三大关键要素是光电转换效率、 生产成本和电池性能稳定性，市场需要光电转换效率更高的钙钛矿太阳电池光电转换材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种钙钛矿型光电转换复合材料溶胶，从钙钛矿光吸收材料组成和微观结构二方面入手改进其成膜性能，以适应大面积钙钛矿太阳电池光吸收层制备需要。