[发明专利]一种钙钛矿异质结结构及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钙钛矿异质结结构及其制备方法和应用，所述异质结由三维钙钛矿、层状钙钛矿构成，三维杂化钙钛矿通过晶格匹配外延出层状钙钛矿。本发明这种因晶格匹配外延生长形成的三维钙钛矿/层状钙钛矿异质结，会诱导层状钙钛矿在三维钙钛矿表面定向排列，不仅使得层状钙钛矿充当三维钙钛矿的保护层，同时两个具有不同电子结构的材料相之间通过化学键的方式结合在一起，使得紧密接触的程度达到了原子级别，并因此可以发生显著的电子云交叠、晶格调制、界面应力等作用，可形成新的界面电子结构及新的能带弯曲现象，显著影响界面电荷转移、能量转移、载流子迁移、复合等现象。

技术领域

本发明属于钙钛矿光电器件领域，涉及一种钙钛矿异质结结构及其制备方法和应用，具体涉及一种三维钙钛矿与层状钙钛矿界面因晶格匹配而形成的钙钛矿异质结，以及基于这种异质结所构成的功能器件。

背景技术

三维杂化钙钛矿因其较高的吸收效率，长的载流子寿命，高的载流子迁移率，大的载流子扩散长度，低廉的成本而在光伏领域具有巨大的潜能，目前是最活跃的研究领域之一。虽然三维有机无机杂化太阳能电池的性能以惊人的速度从2009年初始光电转换效率的3.8％到目前已认证的23.7％提升，且效率已经达到了商业化的硅太阳能电池。但是三维杂化太阳能电池稳定性较差，目前还无法在商业化上得以应用。对于层状钙钛矿，由于其大分子有机物的疏水性和高度定向的结构和致密堆积，表现出更高的水分稳定性，为钙钛矿光伏器件稳定性提供了新的方法，但是层状钙钛矿的有机大分子通常形成高阻态隔层，制约了电荷的有效传输，进而抑制了电池的效率。

Nazeeruddin等人结合了三维钙钛矿的高载流子传输和层状钙钛矿的较好的稳定性制作了基于“(HOOC(CH₂)₄NH₃)₂PbI₄/CH₃NH₃PbI₃”异质结构的常超稳定的钙钛矿太阳能电池，效率为14.6％，通过层状钙钛矿的防潮保护，其器件稳定性可以达到一年(Naturecommunication,DOI:10.1038/ncomms15684)。Snaith及其同事将BA渗入到混合阳离子混合卤化铅钙钛矿中，形成了基于“层状钙钛矿/体钙钛矿”异质结结构的太阳能电池，效率超过了20％，在空气中可以达到1000h以上的稳定性(Nature energy,DOI:10.1038/nenergy.2017.135)。

这种层状钙钛矿与三维钙钛矿的界面连接是通过的有机阳离子间的范德华力形成的，三维钙钛矿和层状钙钛矿之间以大体积的阳离子隔开，接触不够紧密，电子云不发生明显交叠，载流子传输受到抑制，因此到目前为止，基于“三维钙钛矿/层状钙钛矿”异质结的器件，与纯三维钙钛矿器件相比，仍然会牺牲部分电荷载流子的提取效率。

发明内容

针对现有技术中三维钙钛矿/层状钙钛矿结构通过范德华力形成(如图1)，两者材料相之间无化学键形成，由大体积的有机阳离子有序排列构成隔层，将层状钙钛矿和三维钙钛矿隔开，电子云不发生明显交叠，电学耦合较弱，导致界面处的电荷转移、电荷传输等过程不够有效，在太阳能电池器件中会形成一种高阻态界面，不利于光生载流子的产生和传输，本发明的目的在于提供一种钙钛矿异质结结构及其制备方法和应用。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：一种钙钛矿异质结结构，由三维钙钛矿、层状钙钛矿构成，三维杂化钙钛矿通过晶格匹配外延出层状钙钛矿。

本发明钙钛矿异质结结构中，两种材料相之间存在强烈的成键作用，存在晶格常数和界面电子结构的调制现象。

本发明还提供所述钙钛矿异质结结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备三维钙钛矿单晶；

(2)配制饱和的层状钙钛矿前驱液；