[发明专利]一种钙钛矿太阳电池纳米二氧化硅涂布液及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿太阳电池纳米二氧化硅涂布液及作为光吸收层的应用，特 别是将钙钛矿光吸收材料与纳米二氧化硅溶胶混合，直接涂膜作为钙钛矿太阳电池纳米二 氧化硅凝胶光吸收层应用，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形成光伏一体化建筑，使太阳能低成本清洁发电成为现实。

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。钙钛矿光吸收层由钙钛矿光吸收材料和作为骨架的多孔纳米材料 膜构成，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。如果没有多孔骨架膜存在，光电转换效率就大大降低。常 用的骨架纳米材料包括纳米TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、SiO₂、ZnO、SnO₂、WO₃、ReO、BaSnO₃、SrTiO₃等，其 中，最常用的是纳米TiO₂。骨架纳米材料的组成、形貌结构和制备工艺对钙钛矿光吸收层性 能影响很大。骨架纳米材料除作为钙钛矿光吸收材料的支持骨架外，还可以传输电子，改善 光吸收材料结晶结构和增大钙钛矿光吸收材料表面积，从而提升钙钛矿光吸收层的光电转 换效率。

钙钛矿太阳电池纳米TiO₂骨架膜制备方法主要有高温烧结法和溶胶-凝胶法。高 温烧结法是先将纳米TiO₂浆料或胶体涂布在基体上，当纳米TiO₂粒径较大或膜层较厚时，干 燥成膜过程中常出现起皮和膜层脱落现象，需要在500℃高温下处理使其烧结固定在基体 上。高温烧结法加工成本高,也不能在柔性高分子材料衬底上使用，限制了其应用范围。溶 胶-凝胶法是将纳米TiO₂胶体涂布在基体上，纳米TiO₂依靠分子间力或粘合剂牢固地附着在 基体表面上，可在较低温度下固化成膜，优点是对基体材料选择比较灵活，容易实现产业 化。

钙钛矿光吸收材料典型分子式为AMX₃，其中,A和M代表不同的阳离子,X代表卤 阴离子。目前国内外对卤化物钙钛矿光吸收材料CH₃NH₃PbX₃研究比较多，它是一种半导体光 吸收材料，其带隙约为1.5eV，能充分吸收波长400-800nm的可见光，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光吸收材料。

目前研究中广泛采用溶液法将钙钛矿光吸收材料涂布在骨架材料上形成钙钛矿 光吸收层，而溶液法又分为一步法和二步法。

一步法是指将CH₃NH₃X粉末与PbX₂共同溶解在二甲基甲酰胺或γ-丁内酯溶剂中， 使其在溶剂中反应生成CH₃NH₃PbX₃，然后将溶液旋涂在有纳米TiO₂骨架层的衬底材料上，随 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CH₃NH₃PbX₃钙钛矿光吸收 层。二步法是指先将PbX₂粉末溶于二甲基甲酰胺或γ-丁内酯溶剂中，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CH₃NH₃X的异丙醇溶液 中，加热处理制得CH₃NH₃PbX₃钙钛矿光吸收层。