[发明专利]一种层状钙钛矿结构材料及在甲胺铅碘钙钛矿薄膜太阳能电池中的应用

说明书

一种层状钙钛矿结构材料及在甲胺铅碘钙钛矿薄膜太阳能电池中的应用。化学结构通式为：A₂PbX₄，其中，A为侧链带伯氨基团的聚合物，其包括主链为共轭结构的聚合物和主链为饱和碳‑碳或碳‑氮链的聚合物；X为氯、溴或碘中的一种或多种。所述材料应用于甲胺铅碘钙钛矿薄膜太阳能电池中。本发明有效提高甲胺铅碘钙钛矿活性层的成膜质量，具有好的光学性能，均匀的形貌，晶粒尺度达到微米量级；能够调控界面处能级，实现较好的能级匹配，降低界面能级势垒，提高器件性能，能量转化效率高达16.0％，重复性很好；且能够提高器件对空气中水蒸气的阻挡能力，提高电池的稳定性。

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域。

背景技术

在众多的新型太阳能电池中，基于有机无机杂化的甲胺铅碘为活性层的钙钛矿型薄膜太阳能电池由于其具有高的吸光系数、激子寿命长且束缚能低、优异的载流子输运特性，以及成本低、制备工艺简单、光电转换率高、易于实现大面积柔性器件等优点，可实现与硅基太阳能电池匹敌的光电转换效率，而成为当今薄膜光伏技术领域最具竞争力的电池类型。目前，已有文献报道的该类钙钛矿型太阳能电池认证的效率已高达17.9％[Nat.Photon,2014,8,506-514]，根据美国可再生能源实验室最新公布的电池效率数据，该类电池的最高效率记录已超过20％[National Renewable Energy Laboratory.http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg(2015)]。然而，目前甲胺铅碘钙钛矿薄膜太阳能电池领域仍然面临着两个主要问题：1)甲胺铅碘薄膜的成核与结晶过程难以控制；2)甲胺铅碘钙钛矿薄膜材料稳定性差，尤其是对潮湿空气中的水氧敏感。这些问题都严重影响了钙钛矿型薄膜太阳能电池效率提高及使用，从而限制了其进一步应用。

为了能够调控钙钛矿薄膜材料的成核、结晶过程，从而提高其成膜均匀性、晶粒尺寸、及结晶质量，进而提高器件性能，人们采用了许多措施改进钙钛矿薄膜的制备工艺，如调控前驱体化学组分以优化生长动力学[Adv.Funct.Mater.2014,24,151，Chem.Mater.2014,26,7145]，选择不同的溶剂[Nat.Mater.2014,13,897，Adv.Mater.2014,26,3748]，退火处理[Science 2015,347,522，Acs Nano 2015,9,639]，不同的沉积方法[J.Am.Chem.Soc.2014,136,622，Angew Chem.Int.Ed.2014,53,9898]等。除了改进钙钛矿成膜工艺外，大量研究也发现，界面改性对于调控钙钛矿成膜过程也有帮助[Science2014,345,295，Nanoscale 2014,6,1508，J.Phys.Chem.C 2014,118,16651]。此外，由于甲胺铅碘钙钛矿类材料自身对空气中的水、氧敏感，从而带来电池器件稳定性差的问题，影响电池使用寿命。尽管目前有少量文献报道，低含量水蒸气的存在有利于甲胺铅碘的结晶[Science 2014,345,542，Chem.Commun.2014,50,15819]，但大部分研究小组仍然是在手套箱里干燥的气氛下进行甲胺铅碘薄膜的沉积。近来，有文献报道，通过选择较大的有机阳离子，可以将钙钛矿材料从三维结构演变成二维层状结构，且该类层状钙钛矿材料对空气中的水、氧不敏感，稳定性好[Angew Chem.Int.Ed.2014,53,11232]，但是由于该类二维层状结构存在空间受限，以及有机层与无机层之间的介电性质不匹配，导致激子束缚能大，载流子迁移率低，限制了其作为活性层在钙钛矿型薄膜太阳能电池中的应用。