[发明专利]一种无机钙钛矿吸光材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜太阳电池技术领域，特别是涉及一种无机钙钛矿吸光材料及其制备方法。

背景技术

太阳能电池中，太阳能吸光材料起到了吸收太阳光、分离电子空穴对的关键作用。自2009年，钙钛矿类吸光材料已经应用到太阳电池中，其中，Pb基钙钛矿太阳能电池的发展较为快速，经美国可再生能源国家实验室(NREL)认证的钙钛矿型太阳能电池的转换效率已经达到20.1％，即达到Cu(In，Ga)Se₂薄膜太阳电池的水平，且远超单晶硅/多晶硅电池和染料敏化电池。典型的钙钛矿电池吸光层是有机铅卤素钙钛矿材料，它的A晶位的有机组分有不稳定的缺点，造成这类太阳能电池的长期稳定性比较差，并且B晶位的铅对环境和身体健康的破坏作用也非常明显。

利用钙钛矿制作太阳能电池等光学器件，材料本身的均匀性和结晶性是影响光学器件效率的关键因素。但目前对钙钛矿本身的物理化学性质的认识还不够深入，在均匀性和结晶性等参数的控制方面的手段还很欠缺。如目前仅有蒸发法等、气氛处理方法可以得到较为均匀的钙钛矿薄膜结构，这从而增加了制备器件的工艺步骤和制备成本。申请号201410619227.4公开了使用一步溶液法制备高质量钙钛矿薄膜。主要通过对反应物中铅盐的控制，限制钙钛矿物体从溶液中结晶析出，实现钙钛矿前驱体的均匀析出，从而提高钙钛矿初级薄膜的均匀性。此方法虽然实现了优化钙钛矿薄膜的热处理工艺，但其依然使用了含铅反应物，如果大规模生产使用对环境的危害不言而喻。

在现有技术中，有机-无机钙钛矿材料作为太阳能电池材料的研究也较为普遍，即便克服了纳米材料与有机-无机钙钛矿材料需要先后单独成膜、纳米颗粒均匀分散等问题后，依旧存在反应物含铅的问题。(申请号201410515372.8)。可见Pb的毒性严重限制了它的工业应用。

近年来，世界范围内出现了替代有机铅卤素钙钛矿太阳能吸光材料的研究热潮。其中，无机钙钛矿化合物虽然具有很好的稳定性，并且有研究表明CsPbI3是稳定的太阳能吸光材料，但是其仍然含有有毒的环境污染源Pb。由于铁电材料自身的电极化特性造成的内建电场，能够起到自发分离电子和空穴的作用，铁电材料成为吸光材料的一个研究热点。BaTiO₃、Pb(Zr，Ti)O₃、BiFeO₃的等铁电材料的禁带宽度较大，其光电转换效率通常较低。[KNbO₃]_1-x[BaNi_0.5Nb_0.5O_3-d]_x的复杂组分使得其非常难于制备高质量薄膜。

因此，亟需研发一种高稳定性、光电转换效率高、无毒的无机钙钛矿太阳电池。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种无机钙钛矿吸光材料层及其制备方法，将无机钙钛矿吸光材料作为吸收层，降低了吸收材料的毒性，提高了吸光层的稳定性、光电转换效率比较高、同时实现了无机钙钛矿材料的带隙调控。

本发明的目的主要是通过以下技术方法实现的：

本发明一种无机钙钛矿吸光材料，所述钙钛矿结构包含(La_1-a-b-c-dY_aDy_bBi_cEr_d)M_0.5Mn_0.5O₃，带隙宽度在1.3～2.2eV，其中M为Co、Cr、Ni中的一种。

无机钙钛矿吸光材料制备方法，包括以下步骤：

(1)制备前驱体溶液

(1-1)根据带隙宽度要求，按照化学计量比量取La(NO₃)₃、Y(NO₃)₃、Dy(NO₃)₃、Er(NO₃)₃、M(NO₃)₂和Mn(NO₃)₂分别溶解在去离子水中；将Bi₂O₃充分溶解在浓硝酸中；

(1-2)把步骤(1-1)中溶液充分混合，得到前驱体溶液；

(2)制备溶胶凝胶

(2-1)在前驱体溶液中加入柠檬酸，搅拌使其充分溶解；

(2-2)加入乙二醇，搅拌使其充分溶解，形成溶胶凝胶；