[发明专利]一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明属于太阳能电池器件领域，更具体地，涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。该钙钛矿太阳能电池包括N型层、P型层和对电极，其特征在于，包括如下步骤：P型层的制备：将含有盐酸的P型层前驱体溶液涂覆于所述N型层表面成膜，退火后得到层状相非铅全无机钙钛矿薄膜，即为所述P型层；其中，所述盐酸用于降低所述层状相非铅全无机钙钛矿薄膜的相变温度。添加适量盐酸作为中间体配位离子，采用一步液相法制备出均相、高结晶度的非铅层状钙钛矿薄膜。本发明制备的钙钛矿太阳能电池结构简单且稳定性好，采用的P型层对太阳光吸收系数高，有利于提高器件的光电转换效率。

技术领域

本发明属于太阳能电池器件领域，更具体地，涉及一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

有机无机杂化铅卤钙钛矿已成为具有革命意义的太阳能电池吸光层，其光电转化效率从2009年的3.8％已经提高到22.1％。这类材料突出的光电性能归因于它们独特的光电特性，比如合适的带隙，高吸收系数，高且平衡的载流子迁移率，好的耐缺陷特征和低激子结合能。这些特性从根本上来源于Pb 6s²轨道孤对电子对的化学性质和钙钛矿晶格的混合离子-共价键。然而，Pb元素的环境毒性限制了钙钛矿太阳能电池的大规模商业化。因此，人们强烈希望寻找新的拥有同样良好的光电性能的非铅钙钛矿材料。

用其它等价离子取代Pb²⁺卤化物钙钛矿中的铅是一种直截了当的策略。首先考虑的是同一主族具有ns²电子的Sn²⁺/Ge²⁺。以CH₃NH₃SnI₃为吸光层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率大约6％。然而，由于Sn²⁺极容易被氧化为Sn⁴⁺，当设备暴露在空气中时其性能会迅速下降，目前这一问题仍未解决。锗基卤化物钙钛矿同样因为二价锗极易被氧化和深缺陷态的出现已被证明为非理想的太阳能电池吸光层。用其它二价阳离子(如Sr²⁺和Ba²⁺)取代Pb²⁺的材料因为过大的带隙而不适合太阳能应用。

为了维持ns²孤对电子而使材料保持较好的光电特性，第五主族阳离子(M³⁺＝Bi³⁺和Sb³⁺)已经被研究用来替换Pb²⁺。由于M³⁺的高氧化状态，它们不能形成普通的AMX₃钙钛矿，而是形成稳定的A₃M₂X₉结构的钙钛矿。一般来说，A₃M₂X₉结构存在二聚体相和层状相两种相结构。通过低温溶液处理，可以很容易地合成二聚体相。然而，这一相结构存在间接带隙，带隙过大，以及较低的载流子跳跃传输等固有的问题而不适合光电应用。层状结构较高的维度可以部分地回避上面的问题，预计会显示出直接带隙，更小光带隙值，以及良好的层内载流子传输。由于层状相相较于二聚体相的热力学稳定性更差，所以它只通过高温固态反应合成特定的材料(例如K₃Bi₂I₉和Cs₃Sb₂I₉)。通过高温固态反应合成特定的材料，例如K₃Bi₂I₉和Cs₃Sb₂I₉等。这种方法的缺陷在于：(1)化学反应需要高温；(2)反应气体会与基片或设备发生化学反应；(3)在化学气相沉积中所使用的设备可能较为复杂，且有许多变量需要控制。

因此，采用简单溶液方法合成高质量的层状相薄膜应用于钙钛矿太阳能电池是该领域的重大挑战。

发明内容