[发明专利]一种高质量无机钙钛矿薄膜及其制备方法和在太阳能电池中的应用

说明书

本发明公开了一种高质量无机钙钛矿薄膜及其制备方法和作为吸收层应用于太阳能电池中。所述高质量无机钙钛矿薄膜制备过程中引入了所述无机钙钛矿前驱体的良溶剂和一种挥发性较所述良溶剂慢且能增进前驱体溶解度的有机溶剂的混合溶剂；通过调节两种溶剂的比例，利用后者挥发性较慢且能增进前驱体溶解度的特点，可得到均匀致密连续的无机钙钛矿薄膜，所述混合溶剂还可以显著提升无机钙钛矿材料前驱体溶液的浓度，进而提升采用该无机钙钛矿薄膜制备的无机钙钛矿太阳能电池短路电流密度。所述制备方法的制备条件温和，且制备步骤简单、操作方便、成本低，能耗小等诸多优点，适合于工业化生产。

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种高质量无机钙钛矿薄膜及其制备方法和作为吸收层在薄膜太阳能电池中的应用。

背景技术

随着当代社会工业化的迅猛发展，日益严重的能源与环境问题加速了新能源技术的开发与利用，太阳能凭借其资源储量丰富，清洁环保等优势受到了人们的广泛关注，而作为光电转换器件的太阳能电池成为研究的焦点。近年来，钙钛矿太阳能电池性能飞速提升，成为最有希望替代硅太阳能电池及铜铟镓硒太阳能电池的第三代太阳能电池。自从2009年Miyasaka和他的同事第一次报道有机无机杂化钙钛矿太阳电池并取得3.8％的光电转换效率之后，关于有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的研究进入了腾飞阶段。有机无机杂化钙钛矿材料，特别是ABX₃结构的三卤素化合物(A是甲胺阳离子(CH₃NH₃⁺)或甲脒阳离子(CH(NH₂)₂⁺)，B是金属阳离子Pb²⁺或者Sn²⁺，X是Cl^-，Br^-，I^-等卤素阴离子)，如CH₃NH₃PbI₃，CH(NH₂)₂PbI₃受到了广泛的关注。它由共顶角的BX₆八面体组成，A位阳离子起平衡价态的作用。有机无机杂化钙钛矿材料用作太阳能电池吸收层已经取得了22.1％的认证转换效率。钙钛矿太阳能电池优异的光伏性能得益于钙钛矿材料本身优异的光电性质，如强的吸光系数，长载流子扩散长度，高载流子迁移率，双极性电荷传输，低激子结合能以及几乎没有深能级缺陷。尽管就美国清洁能源国家实验室的认证效率来讲，钙钛矿太阳能电池的最高光电转换效率已经可以和碲化镉(22.1％)，铜铟镓硒(22.6％)相匹敌，但不稳定一直是笼罩在钙钛矿太阳能电池顶上的一朵乌云。这里稳定性指的是水稳定性，温度稳定性，紫外可见光下的稳定性，以及工作状态下输出电流的稳定性。很多研究表明，甲胺阳离子(CH₃NH₃⁺)或甲脒阳离子(CH(NH₂)₂⁺)可能是钙钛矿材料不稳定的元凶，这些有机基团的存在导致钙钛矿的解离能很低，因而在较低的温度下就会分解。考虑到有机阳离子的主要作用是稳定钙钛矿结构和改变晶格参数，而有机阳离子本身并不决定钙钛矿材料的能带结构。用无机阳离子如Cs⁺取代有机阳离子成为可能。通过Cs⁺与CH(NH₂)₂⁺的混合，Snaith组采用[CH(NH₂)₂]_0.83Cs_0.17Pb(I_0.6Br_0.4)₃的化学组成，得到了在较高温度下可稳定存在的钙钛矿吸收层。更进一步，采用不同的薄膜制备工艺，很多课题组报道了CsPbI_3-xBr_x无机钙钛矿太阳能电池。Eperon等人采用一步法制备了CsPbI₃薄膜，光电转换效率可达2.9％。Kulbak等采用两步法制备了光电转换效率可达5.59％的CsPbBr₃钙钛矿太阳能电池。Ma等采用双源蒸镀的方法制备了光电转换效率可达4.7％的CsPbIBr₂钙钛矿太阳能电池。最近，Sutton等人采用一步法制备了光电转换效率接近10％的CsPbI₂Br钙钛矿太阳能电池。考虑到CsPbI₃在大气条件下不稳定，而CsPbIBr₂及CsPbBr₃禁带宽度太大，只有1.92eV且在大气中相对稳定存在的CsPbI₂Br有望用作多节太阳能电池的顶电池。然而，简单的一步法采用DMF作为溶剂不能制备均匀的CsPbI₂Br薄膜，且因为CsBr在DMF中溶解度有限，无法制备较高浓度前驱体溶液。进而影响无机钙钛矿薄膜厚度及与之相关的光电转换性能。