[发明专利]无铅钙钛矿膜的形成

说明书

技术领域

本发明涉及一种形成无铅钙钛矿型有机金属卤化物膜的方法。

背景技术

太阳能电池(也称为光伏电池)是通过采用表现出光伏效应的半导体将太阳能转换成电能的电气装置。在全球装机容量方面，与水力和风能一样，太阳能光伏发电是最重要的可再生能源之一。这些太阳能电池的结构基于p-n结的构思，其中来自太阳辐射的光子被转换成电子-空穴对。用于商业太阳能电池的半导体的实例包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉和铜铟镓二硒。

高转换效率、长期稳定性和低成本制造对于太阳能电池的商业化至关重要。因此，为了替代太阳能电池中的常规半导体，已经研究了各种各样的材料。例如，使用有机半导体的太阳能电池技术是相对较新的，其中可以从液体溶液加工这些电池，潜在地导致廉价大规模的生产。除了有机材料之外，钙钛矿型有机金属卤化物例如CH₃NH₃PBX₃(其中X＝Cl、Br、I或它们的组合)最近已经成为用于下一代高效率低成本太阳能技术的有希望的材料。已经报道，这些合成的钙钛矿表现出高电荷载流子迁移率和寿命，这允许光生电子和空穴移动足够远以至作为电流抽出，而不是在电池内以热量形式而损失其能量。这些合成钙钛矿可以采用与有机太阳能电池所用相同的薄膜制造技术来制造，如溶液加工、真空蒸发技术、化学气相沉积等。

最近的报道已经表明，这类材料(即，钙钛矿型有机金属卤化物)在一般的光电子装置中具有高性能半导体性介质的潜力。特别是，已知一些钙钛矿表现出强烈的光致发光性质，使其成为用于发光二极管(LED)的有吸引力的候选者。另外，据报道，钙钛矿也表现出相干光发射性，于是有光放大特性，适用于电驱动激光器。

基于钙钛矿型有机金属卤化物的太阳能电池研究已经迅速发展，实现了约20％的效率，从而使得基于钙钛矿的太阳能电池能够与基于Si的太阳能电池竞争。然而，应当指出的是，大部分这些基于钙钛矿的太阳能电池是使用含Pb的钙钛矿制造的，造成潜在的公共健康问题。为了规避这种毒性，几个研究小组已经使用溶液加工技术来制备无Pb钙钛矿膜，其用Sn代替Pb。据报道，使用具有介孔TiO₂支架的CH₃NH₃SnIBr₂和CH₃NH₃SnI₃钙钛矿制造的太阳能电池已经实现了5.7％～6.4％的效率。然而，据报道，通过使用溶液法制造的太阳能电池由于可能在空气暴露后在顶面上形成Sn氧化物而不稳定。可能已经形成SnO₂和/或其他氧化物。SnO₂是带隙为3.6eV的n型半导体，并且在这些太阳能电池中形成SnO₂可能导致电池中形成的活性钙钛矿层和空穴传输层(HTL)之间的能级失配。尽管几种气相蒸发方法已经用于形成Pb钙钛矿膜，但它们还没有用于沉积无Pb钙钛矿膜。事实上，迄今还没有尝试制造具有平面结构的无Pb钙钛矿太阳能电池。

鉴于公众对使用危险的基于铅Pb的材料的担忧，制造无Pb钙钛矿膜已成为太阳能电池和其他光电装置应用的重中之重。

引用列表

非专利文献

非专利文献1：G.E.Eperon等.，Formamidinium lead trihalide：a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cells，Energy&Environ.Sci.7，982-988(2014)。

非专利文献2：J.Burschka等.，Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells，Nature第499卷，316-320(2013年7月)。

非专利文献3：M.Liu等.，Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition，Nature第501卷，395-398(2013年9月)。