[发明专利]一种Sn-Pb合金无机钙钛矿薄膜及其在太阳能电池中的应用

说明书

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种Sn‑Pb无机合金钙钛矿薄膜及其在太阳能电池中的应用。所述Sn‑Pb无机合金钙钛矿薄膜的化学式为CsSn_1‑xPb_xI₃，其中0＜x＜1。所述Sn‑Pb无机合金钙钛矿薄膜的制备方法包括以下步骤：将CsI、SnI₂、PbI₂溶解在含有SnF₂的有机溶剂中，于50‑80℃下搅拌反应12‑24h，过滤，得到钙钛矿前驱体溶液，将钙钛矿前驱体溶液在基底上旋涂，于90‑120℃下加热得到Sn‑Pb无机合金钙钛矿薄膜。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及一种Sn-Pb合金无机钙钛矿薄膜及其在太阳能电池中的应用。

背景技术

近年来，有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料凭借其独特的物理和化学性质，如高光学吸收、高载流子迁移率、长扩散长度，以及制备工艺简单，成本低廉和高效等优异特性，在光电子器件(如太阳能电池，LED和光电探测器等)应用领域中受到了广泛的关注。目前，基于这种有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳能电池经过不断研究改善，其光电转换效率可以与商业硅基太阳能电池相媲美。然而，杂化钙钛矿材料通常含有有机阳离子，如甲基铵(MA⁺)和甲脒(FA⁺)等，这些有机离子在高温下都具有挥发性，且遇水易分解，在空气中很不稳定，这严重限制了这种杂化钙钛矿材料在光电器件领域应用及其未来工业上大规模应用前景。

解决这些问题的一种途径是采用无机阳离子如铯(Cs⁺)或铷(Rb⁺)取代有机阳离子，形成全无机钙钛矿，实验证明，采用无机钙钛矿薄膜作为光吸收层的钙钛矿太阳能电池，与杂化钙钛矿太阳能电池相比，其热稳定性、防潮性和光稳定性等方面呈现出较好的性能。Giles等人(G.E.Eperon,G.M.Paterno,R.J.Sutton,et.,al,Inorganic caesium leadiodide perovskite solar cells.J Mater Chem A,2015,3,19688-19695)在2015年用Cs+离子取代有机离子，取得了光电转换效率为2.9％的CsPbI₃钙钛矿太阳能电池。随后的三年间，研究人员相继通过溶液工程、表面修饰、真空沉积、量子点以及后处理等工艺，将CsPbI₃钙钛矿太阳能电池的光电转换效率迅速提升至17％以上且具有较好的稳定性。在众多全无机钙钛矿材料中，立方相CsPbI₃是目前应用在太阳能电池光电转换效率最高的无机钙钛矿材料，但其仍然存在室温下相稳定性、光吸收范围较窄以及材料中铅的毒性等问题。一方面，CsPbI₃在高温下呈黑色立方相，但在周边环境条件下，极易转换成黄色的单斜相CsPbI₃，从而极大降低器件的光伏性能；另一方面，立方相的CsPbI₃禁带宽度约1.73eV，其作为光吸收材料，只能吸收紫外及部分可见光，这将直接降低太阳能电池的光谱响应，不利于未来高效太阳能电池的制备。这一方面，不含毒性元素的无机B-γ-CsSnI₃钙钛矿带隙约1.3eV，能较好解决材料光吸收范围窄和由CsPbI₃材料铅元素带来的环境问题，然而，CsSnI₃材料中的二价锡极易氧化成四价锡，使得其器件性能较差。虽然，全无机钙钛矿目前在研究人员不断努力下，其器件在稳定性和光电转换效率等方面取得了较大的进步，但是总体上来看，无机钙钛矿太阳能电池的光电转换效率仍然远低于有机-无机异质结钙钛矿太阳能电池，其中，一个非常重要的原因，目前制备的无机钙钛矿，光学带隙一般都在1.5eV以上，明显高于单结太阳能电池的优化带隙(1.1-1.4eV)。前期研究表明，在有机-无机异质结钙钛矿材料中，采用其它金属离子(如Bi，Sn等)部分或全部替代异质钙钛矿中的Pb，能有效增高光吸收，而目前在无机钙钛矿材料中，虽然也有部分研究探索离子替换降低带隙，但其带隙仍然较大。因此，在无机钙钛矿太阳能电池材料中，进一步通过离子替代降低材料带隙，对于提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率及其稳定性具有重要意义。