[发明专利]一种壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光电材料的壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜及其仿生制备方法和应用，属于光电化学和高分子化学领域。

背景技术

太阳能电池将太阳能转化为电能，具有低成本，安全可靠等特点，是一种极具前景的可再生的能源。光敏剂是制备太阳电池的关键材料。有机金属卤化钙钛矿是近年广受关注的一种新型光敏剂，它具有独特的光学特性，激子特性，磁性及导电特性，可以以较低的成本制备出较高性能的太阳能电池。尽管在过去的几年里，关于有机卤化钙钛矿的研究已大量报道，但是基于钙钛矿薄膜太阳能电池的构造仍然存在几个关键问题。例如，选择具有优良电荷选择性的界面材料以减少界面电荷重组是十分必要的。此外，最关键的挑战在于构建钙钛矿薄膜的过程中控制钙钛矿晶体的生长及改善其成膜性能以提高器件的光电性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜，采用壳聚糖为模板，模拟生物矿化条件得到了在壳聚糖膜内部网络纳米结构的空隙内原位生长钙钛矿晶体。利用壳聚糖与纳米颗粒之间的相互作用，有效地控制了钙钛矿晶体的形成及生长，获得了较为理想的钙钛矿薄膜，成功地解决了传统化学方法制备的钙钛矿薄膜成膜性较差的问题。

本发明的另一目的在于提供上述薄膜的制备方法，该方法是一种清洁、方便、无污染的绿色工艺，适合大规模生产。

本发明还提供了上述膜的应用，制成了太阳能光电池，并在适量壳聚糖条件下可以有效提高太阳能电池的能量转换效率。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一种壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备壳聚糖碘化物(CS·HI)；

(2)在密闭环境中将甲胺盐(CH₃NH₂·HI)、壳聚糖碘化物(CS·HI)以及碘化铅或者氯化铅溶于DMF中，通入保护气体，55-65℃下搅拌6-10小时，制得钙钛矿前驱体溶液；其中壳聚糖碘化物与甲胺盐的质量比为0.2％-10％；甲胺盐与碘化铅的摩尔比为0.5:1-1.5:1，由碘化铅制备的前驱体溶液的质量浓度为10-20％，甲胺盐与氯化铅的摩尔比为2:1-3:1，由氯化铅制备的前驱体溶液的质量浓度为3-9％；这里的前驱体溶液的质量浓度指的是：M1/M2，

M1＝甲胺盐+壳聚糖碘化物+碘化铅(或氯化铅)，

M2＝整体溶液【甲胺盐+壳聚糖碘化物+碘化铅(或氯化铅)+DMF】；

(3)将所得的钙钛矿前驱体溶液旋涂制备壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜。

所述步骤(2)中甲胺盐与碘化铅的摩尔比为1:1，所制备的前驱体溶液的质量浓度为14-16％；甲胺盐与氯化铅的摩尔比为3:1，所制备的前驱体溶液的质量浓度为5-7％；

所述步骤(1)中壳聚糖碘化物的制备：将壳聚糖溶于氢碘酸的水溶液中，其中壳聚糖与氢碘酸的比例为0.5～1.5g/ml，将丙酮加入到上述溶液中使得壳聚糖的碘化物完全析出，并不断用乙醚洗涤，直至滤液完全无色，制得壳聚糖碘化物。

所述步骤(1)壳聚糖溶于氢碘酸的水溶液中是在0-5℃搅拌6-10h；洗涤之后的壳聚糖碘化物置于真空干燥箱40-60℃下8-24h。

优选地，壳聚糖碘化物与甲胺盐的质量比为0.5％-5％。

所述步骤(2)中所述甲胺盐为CH₃NH₂·HI，DMF的密度为0.95g/ml。

所述步骤(1)中氢碘酸的体积浓度为1-3％，壳聚糖的分子量为5-30万。

所述步骤(2)中所得到的前驱体溶液均用0.45μm孔径的PTFE过滤器过滤。

所述步骤(3)中旋涂制得的壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜在80-120℃下退火10-20min。优选地，壳聚糖/钙钛矿纳米复合膜在100℃下退火15min。

上述方法制得的壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜，其厚度为30-100nm。优选地，壳聚糖/钙钛矿纳米复合膜的厚度为50nm。

所述的壳聚糖/钙钛矿纳米复合薄膜应用于制备太阳能光电池。

本发明通过利用壳聚糖中的活性基团与钙钛矿中金属离子的配位络合作用，引导钙钛矿晶体在壳聚糖所形成的网络结构中均匀有序地成核、生长，改善了钙钛矿晶体的成膜性能。

本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：