[发明专利]有效固定有机阳离子的钙钛矿薄膜及太阳能电池的制备

说明书

本发明公开了一种有效固定有机阳离子的钙钛矿薄膜及太阳能电池的制备方法。鉴于钙钛矿薄膜存在的有机阳离子的移动以及受热条件下易以气体形式逸出损失，从而显著降低太阳能电池器件性能及稳定性的问题，本发明将少量氟化物掺入到钙钛矿吸光层，通过氟离子与钙钛矿组分中的有机阳离子之间的氢键作用来固定钙钛矿薄膜中的有机阳离子，从而提升相应太阳能电池器件的光电转换效率以及工作稳定性。

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种有效固定有机阳离子的钙钛矿薄膜及其太阳能电池的制备方法。

背景技术

近年来有机无机杂化钙钛矿太阳能电池由于其简单可控的溶液法制备特性逐渐发展成为一种具有高效率、低成本的新型太阳能电池，钙钛矿材料具有特殊的ABX₃晶体结构，其中A为有机阳离子如甲脒(FA⁺)，甲胺(MA⁺)等，或无机阳离子如铯(Cs⁺)等；B为正二价金属离子，如铅(Pb²⁺)、锡(Sn²⁺)等；X为卤素离子，如碘(I^–)、溴(Br^–)、氯(Cl^–)等。自2013年6月至今，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从14％迅速提升到23.7％，成为当前光伏领域的研究热点。然而作为太阳光吸收层的钙钛矿薄膜，由于其组分内部存在容易移动的离子如卤素离子、有机阳离子等，导致钙钛矿材料的降解及老化，严重影响了相应太阳能电池器件的光电性能和长期稳定性。现有的碘化物、溴化物和氯化物掺杂技术可以有效地限制卤素离子如氯离子、溴离子、碘离子的移动，限制了钙钛矿材料的老化，但这些掺杂技术无法抑制有机阳离子的移动，而有机阳离子相比于卤素离子更容易在光照、加热等常规外界环境干扰下移动乃至以蒸气形式逸出，形成A位空位，诱导钙钛矿的加速降解，从而显著降低相应太阳能电池器件的光电转换效率和长期稳定性。如何通过有效的手段来固定钙钛矿薄膜中的有机阳离子，抑制其损失是制备高效稳定钙钛矿太阳能电池的基础以及商业化生产的必经之路。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种有效固定钙钛矿薄膜中的有机阳离子的方法，以提升相应太阳能电池器件的光电转换效率以及工作稳定性。

为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：

一种掺杂的钙钛矿薄膜，所述钙钛矿薄膜具有ABX₃型晶体结构，其中A为有机阳离子，或者是有机阳离子和无机阳离子的混合，B为正二价金属离子，X为卤素离子；其特征是，所述钙钛矿薄膜内掺杂有氟化物。氟化物中氟离子与钙钛矿A位有机阳离子之间的氢键作用能抑制钙钛矿薄膜中有机阳离子的移动和损失。

本发明所述掺杂的钙钛矿薄膜主要作为太阳能电池的吸光层，A优选为脒基、胺基等有机阳离子中的一种或多种，如甲眯基(FA⁺)、甲胺基(MA⁺)等有机阳离子，或者是有机阳离子与无机一价阳离子如铯离子，铷离子等的混合；B为正二价金属离子，如铅、锡等的二价金属离子；X为碘(I^–)、溴(Br^–)和/或氯(Cl^–)。

所述氟化物是指氟离子与某种正离子形成的化合物，所述正离子包括金属离子和非金属离子，可以是碱金属离子，如锂离子、钠离子、钾离子等；或者是碱土金属离子，如镁离子、钙离子等；或者是过渡金属离子，如锌离子、铁离子、锰离子等；还可以是非金属离子，如NH₄⁺等。一切能与氟离子形成化合物的正价离子都适用于本发明。

本发明所述掺杂的钙钛矿薄膜中，所述氟化物的掺杂量按相对于钙钛矿薄膜中B位二价金属离子(如铅、锡等)的摩尔分数的0.05-0.3％为宜。

所述掺杂的钙钛矿薄膜在制备时，所述氟化物可以通过混合于钙钛矿无机、有机或有机无机混合的前驱体溶液中，或者通过共蒸方式、反溶剂法等掺入到钙钛矿薄膜内。