[发明专利]铜铁矿结构材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明公开了一种铜铁矿结构材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池。本发明提供的铜铁矿结构材料，包含Mg掺杂的CuGaO₂；所述铜铁矿结构材料在微观上呈圆片或圆柱状，其直径为3nm～100nm，厚度为1nm～20nm。可进一步将铜铁矿结构材料作为空穴传输层应用于钙钛矿太阳能电池中。该空穴传输层可很好地解决正式钙钛矿太阳能电池的长期稳定性不理想的问题。此外，将该空穴传输层应用在反式钙钛矿太阳能电池中，能够进一步提升反式钙钛矿太阳能电池的器件效率。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，具体涉及铜铁矿结构材料及其制备方法、钙钛矿太阳能电池。

背景技术

有机/无机杂化的金属卤化物的钙钛矿太阳能电池是2009年出现的光伏领域新技术，被美国《科学》杂志评选为2013年十大科学突破之一，被权威人士认为是一种潜在的具有重要意义的光伏技术。经过十年的发展，钙钛矿太阳能电池的效率被提升至25.2％，在效率上追上了发展数十年的多晶硅太阳能电池、铜铟镓硒(CIGS)以及碲化镉(CdTe)等化合物薄膜太阳能电池。从而成为下一代光伏技术中最热门的技术分支，受到全球科研领域和产业领域的广泛关注。

目前，高效率的钙钛矿器件都是在正式结构中实现的，正式结构采用的空穴传输材料通常为Spiro-OMeTAD，其本征导电率较低，必须通过掺杂来提高导电性。另外，常用的掺杂试剂锂盐容易吸收空气中的水分，而叔丁醇(TBP)会溶解部分钙钛矿，从而降低了器件性能以及在空气中的长期稳定性。还有，掺杂的Spiro-OMeTAD的玻璃化转变温度为50℃，基于Spiro-OMeTAD的钙钛矿太阳能电池在60～85℃的条件下持续加热时，稳定性急剧衰减。为此，急需寻找一种新的空穴传输材料取代Spiro-OMeTAD进而提高正式钙钛矿太阳能电池的稳定性。

反式结构的钙钛矿太阳能电池的效率低于正式结构，主要原因是反式结构中采用的空穴传输层为NiO，NiO的导电率低，界面复合较为严重，且自身吸收部分的紫外光，牺牲部分的短路电流密度。因此，急需寻找一种新型的无机空穴传输材料代替NiO应用在反式钙钛矿太阳能电池中，进而提高反式钙钛矿太阳能电池的器件效率。

发明内容

为解决上述现有技术中正式钙钛矿太阳能电池长期稳定性的问题以及反式钙钛矿太阳能电池的器件效率的问题，本发明提供了一种掺杂金属元素的铜铁矿结构材料，并进一步提供了其制备方法及其在钙钛矿太阳能电池中的应用。

为了达到上述发明目的，本发明提供一种铜铁矿结构材料，包括Mg掺杂的CuGaO₂，所述铜铁矿结构材料微观上呈圆片或圆柱状，其直径为3nm～100nm、厚度为1nm～20nm。

上述铜铁矿结构材料的制备方法，包括步骤：

将硝酸铜、硝酸镓、硝酸镁和表面活性剂溶于水中，形成第一溶液；

向第一溶液中加入有机醇，形成第二溶液；

第二溶液在120℃～200℃条件下进行反应，获得固液两相反应产物；

清洗固相反应产物，干燥后获得所述铜铁矿结构材料。

优选地，所述表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵或聚乙烯吡咯烷；所述有机醇选自乙二醇、聚乙二醇或一缩二乙二醇。

优选地，在所述第一溶液中，硝酸铜、硝酸镓、硝酸镁和表面活性剂的浓度范围均为0.01mol/L～0.1mol/L，且硝酸铜与硝酸镁的物质的量之比为1:1～99:1。

优选地，调节所述第一溶液的pH值在2～5。

优选地，所述第二溶液在水热反应釜或微波消解仪中反应，反应时间在0.5h～50h。