[发明专利]一种带隙可调的有机无机杂化合金钙钛矿

说明书

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿，特别是一种带隙可调的有机无机杂化合金钙钛矿。

背景技术

有机金属卤化物钙钛矿材料(ABX₃)从2009年用于太阳能电池，到目前效率已经超过22％，是初始时的电池效率的5倍，把染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等新型薄膜太阳电池甩在了身后，钙钛矿太阳能电池是近三年来发展非常迅速的低成本薄膜太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池的高效率主要源自有机金属卤化物(ABX₃)优异光吸收性能。其中A为多为甲胺基(CH₃NH₃⁺)，B为金属铅二价阳离子(Pb²⁺)，而X为氯、溴、碘等卤素一价阴离子(X^-)。目前有关高效钙钛矿型太阳能电池研究方面，以甲胺铅碘钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃,MAPbI₃)最受关注。主要原因有：

i)该材料属于直接带隙半导体，光学带隙约为1.5eV。导带底主要来自于Pb 6p轨道，价带顶主要由I 5p电子贡献，所以价带顶到导带底电子跃迁属于p-p跃迁，故该材料消光系数高，几百纳米厚薄膜可以充分吸收800nm以下的太阳光。

ii)Pb 6p和I 5p轨道离散明显，导带底和价带顶附近能带色散更强，进而使得该材料既有优异空穴传输又兼具卓越的电子传输即双极性电荷传输特性。

iii)这种材料制备简单而且成本低廉。

上述特性使得钙钛矿型结构CH₃NH₃PbI₃不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，继而光生载流子不易复合，能量损失小，这是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。然而甲胺铅碘钙钛矿材料两大本征缺陷严重制约了该电池大规模应用：其一，甲胺铅碘钙钛矿材料的光稳定性极差且容易遇水分解；其二，甲胺铅碘钙钛矿易溶于水进而加速该材料中的毒性元素——铅的分散并给环境带来污染。

目前研究人员试图通过对有机无机杂化钙钛矿(ABX₃)A,B以及X位的元素替换或者掺杂调节其性能，实现优化钙钛矿材料光电转换性能和提高稳定性的目的。目前B位是二价的金属离子进行替换掺杂的工作仅限于Sn²⁺和Ge²⁺。其中Sn²⁺替换Pb²⁺使材料光学带隙变窄进一步拓宽的太阳光吸收，但损失了电池器件开路电压；此外，Sn²⁺在通常环境下容易转化为Sn⁴⁺导致器件性能恶化。

综上所述，现有技术存在的问题是：

i)甲胺铅碘钙钛矿的稳定性急需提高；

甲胺铅碘钙钛矿材料中的毒性元素——铅，对环境而言是一大隐患。

申请人于之前申请的专利2017100640459采用了Ba作为Pb的替代元素，达到了比较好的效果。但是Ba的效果主要考虑到其与Pb在同一周期，原子半径相似，采用其他周期的元素能否达到同样的效果具有极大的不确定性，为了解决上述问题，需要对不同周期的元素掺杂进行验证和分析。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有晶体结构更加稳定，能够丰富带隙调整选项，能够用于制备更大光电转换效率太阳能电池的带隙可调的有机无机杂化合金钙钛矿。本发明相比之前的申请进一步优化数据，减少了实验误差，同时发现Sr与Ba在钙钛矿结构中的表现具备很大的区别。