[发明专利]原位控制合成溴铅铯三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法

说明书

本发明涉及原位控制合成溴铅铯三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法。将溴化铯与氢溴酸的有机溶液旋涂于金属单质铅薄膜的基底材料上，160‑250℃加热处理后得到溴铅铯薄膜样品，整个实验过程均在室外旋涂，无需控制湿度。合成的薄膜均匀性好，致密性好，反应条件温和，无需超声、光照、微波辅助等传统能量驱动反应进行，所需耗材便宜，操作简便。

技术领域：

本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种基于溴铅铯三元化合物半导体光电薄膜材料的太阳能电池器件。

背景技术：

近来，有机-无机混合钙钛矿太阳能电池(PSC)由于其低成本、制备方法简单和出色的光伏性能引起了业内人士广泛的兴趣。在2009年Miyasaka课题组首次将钙钛矿材料应用到太阳能电池中，制备出开路电压为0.96V、光电转换效率为3.8％的CH₃NH₃PbI₃钙钛矿太阳能电池。2012年，课题组用溶液法在TiO₂表面沉积了一层MAPbI₃纳米晶，蒸镀一层金电极，首次制备了异质结太阳能电池，其光电转换效率为5.5％。随后，他们又在之前的基础上，用Spiro-OMeTAD作为空穴传输层材料(n-i-p)来替代电解液，制备了钙钛矿太阳能电池，光电转换效率提升至9.7％。2013年，Snaith课题组通过将MAPbI_3-xCl_x制备成简单的平面异质结结构钙钛矿太阳能电池，光电转换效率也达到了15.4％。2019年，斯坦福大学和亚利桑那州立大学合作，共同研发出效率为25.2％单结钙钛矿太阳能电池。单节钙钛矿太阳能电池在十年之间从最初的3.8％上升至25.2％。虽然钙钛矿太阳能电池以其优异的光电性能和简单的制备方法在光电领域大放异彩，但是有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池却很难商业化发展，这是因为钙钛矿吸光材料CH₃NH₃PbX₃(X＝I，Br，Cl)中有机阳离子与八面体[PbX₆]结合能力弱，在光热以及水氧等条件下易分解，湿热稳定性差。

因此，为了解决有机-无机杂化钙钛矿半导体稳定性的问题，用铯离子(Cs⁺)取代有机阳离子(MA⁺、FA⁺)来克服湿热稳定性问题，促进无机钙钛矿的发展非常重要。2012年，首次报道了基于CsSnI₃的无机钙钛矿型太阳能电池，其效率为0.88％。2014年，CsSnI₃基器件的光电转换效率提高到2.02％。随后，将更稳定的CsPbX₃(X＝I，Br，Cl)材料应用于无机钙钛矿型太阳能电池，其效率在短时间内超过10％。这是由于CsPbX₃(X＝I，Br，Cl)钙钛矿材料在光捕获和稳定性之间最为平衡，是一种应用于电池器件的替代材料。更有研究表明，具有钙钛矿结构的CsPbI₃和CsPbBr₃在接近其熔点的460℃时仍然能保持稳定的结构和组成。CsPbBr₃无机薄膜材料虽然带隙为2.3eV，但是具有光吸收能力强、发光波长范围宽、载流子寿命长等优点，被认为是一种很有前途的无机集光吸收薄膜材料。传统意义上制备溴铅铯的方法是通过两步反应来完成的，首先在基底上制备一层(PbBr₂)薄膜，然后溴化铅浸泡在溴化铯(CsBr)的有机溶液里反应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足而提供一种原位控制合成溴铅铯三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法，该方法通过简单的原位溶液反应，然后160-250℃加热处理原位制备溴铅铯三元化合物半导体薄膜材料，合成的薄膜均匀致密，合成工艺简单。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种原位控制合成溴铅铯(CsPbBr₃)三元化合物半导体光电薄膜材料的化学方法，将溴化铯与氢溴酸的有机溶液旋涂于金属单质铅薄膜的基底材料，160-250℃下加热处理，原位反应制得溴铅铯三元化合物薄膜材料。