[发明专利]一种二维钙钛矿薄膜材料、太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种二维钙钛矿薄膜材料、太阳能电池及其制备方法。采用碘化铅、碘甲脒、氯甲胺、溴化钙、碘化钙为原料，二甲基甲酰胺和二甲基亚砜为混合溶剂制备钙钛矿前驱体溶液，旋涂后退火得到薄膜材料。太阳能电池依次包含导电基底、电子传输层和钙钛矿吸光层，将钙钛矿前驱体溶液旋涂到涂有电子传输层的导电基底上，退火后制备出二维钙钛矿太阳能电池。二维钙钛矿薄膜材料作为钙钛矿吸光层材料使用在太阳能电池中。所述二维钙钛矿薄膜化学组成为(CaBr)₂(FA)_n‑1Pb_nI_3n+1，其中FA为甲脒阳离子。本发明提供的制备方法可以得到结晶度较高、性能较好的二维钙钛矿薄膜材料，进而提升钙钛矿太阳能电池的光电性能及效率。

技术领域

本发明属于钙钛矿薄膜材料的技术领域，具体涉及一种二维钙钛矿薄膜材料、太阳能电池及其制备方法。

背景技术

钙钛矿材料具有优异的光电性能，备受研究者的关注。钙钛矿太阳能电池发展极为迅速，短短十年间，效率从3.8％已经提升到超过25％，在钙钛矿太阳能电池吸光层材料中，大多数研究者选择三维的CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)钙钛矿材料，因其具有突出的天然优势，例如高的吸光系数，良好的电子和空穴的双极性运输性能，可调谐的带隙，小的激子结合能和较高的载流子扩散长度等，在发光二极管、激光、光电探测器﹑晶体管等领域也具有广泛的应用。若钙钛矿薄膜拥有光滑的表面和较大的晶粒，就可以获得高效的光捕获能力、超快的载流子运输能力和抑制离子迁移等性能，钙钛矿薄膜的性能就会得到进一步的提高。

目前，钙钛矿的研究取得了极大的进展，尤其三维钙钛矿作为吸光层材料，其光电转换效率已突破25％，但其器件稳定性较差，对水、光和热存在着较差的稳定性，不利于规模化生产，极大的阻碍了其商业化的实现。为使钙钛矿实现商业化应用，不仅需要高效率，长期的稳定性也至关重要。因此，研究和开发固有稳定的新型光电材料是极其重要的。近年来，二维钙钛矿引起了广大研究者的关注，二维钙钛矿具有更好的光、湿及热稳定性，短短几年(BA)₂(MA)_nPb_n+1I_3n+1(n＝1～∞)体系效率已突破17％，优异的光电性能使其成为未来最具潜力的光电材料之一。

在二维钙钛矿材料中，一些体积较大的阳离子与二维无机钙钛矿交替形成层状结构，因此一价阳离子的双分子层能够与其相邻的两个二维无机钙钛矿片状结构形成一个相对较弱的范德华间隙，正是由于范德华间隙的存在，二维钙钛矿材料的稳定性显著大于三维钙钛矿，此外，较大的阳离子阻碍钙钛矿内部离子运动，钙钛矿材料中可以通过设计引入适当的有机部分给吸光层材料带来一定的疏水性，从而提高材料稳定性。从2014年至今，二维钙钛矿材料的研究取得了极大的进展，最高效率已达18％。2014年Karunadasa等率先采用较大的苯乙基铵阳离子(PEA)⁺和MA⁺阳离子结合，制备出n等于3的二维钙钛矿材料，而后，argent等又研究了n为20、40和60时二维钙钛矿的结构和性能。此外研究发现正丁胺(BAI)也可以作为有机大阳离子应用于二维钙钛矿材料中。但是由于二维钙钛矿的带隙较宽、激子结合能较大和较差的电子传输能力，其效率相比三维钙钛矿还有一定差距，有很大的进步空间。