[發明專利]一種帶隙可調的有機無機雜化合金鈣鈦礦

在審

• 申請號: 201710198862.3
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106906518A
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 尚明輝
• 申請（專利權）人: 寧波工程學院
• 主分類號: C30B29/54
• 分類號: C30B29/54;H01L51/46
• 代理公司: 杭州天欣專利事務所(普通合伙)33209
• 代理人: 陳琳

技術領域

本發明涉及一種鈣鈦礦，特別是一種帶隙可調的有機無機雜化合金鈣鈦礦。

背景技術

有機金屬鹵化物鈣鈦礦材料(ABX₃)從2009年用于太陽能電池，到目前效率已經超過22％，是初始時的電池效率的5倍，把染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池等新型薄膜太陽電池甩在了身后，鈣鈦礦太陽能電池是近三年來發展非常迅速的低成本薄膜太陽能電池。

鈣鈦礦太陽能電池的高效率主要源自有機金屬鹵化物(ABX₃)優異光吸收性能。其中A為多為甲胺基(CH₃NH₃⁺)，B為金屬鉛二價陽離子(Pb²⁺)，而X為氯、溴、碘等鹵素一價陰離子(X^-)。目前有關高效鈣鈦礦型太陽能電池研究方面，以甲胺鉛碘鈣鈦礦(CH₃NH₃PbI₃,MAPbI₃)最受關注。主要原因有：

i)該材料屬于直接帶隙半導體，光學帶隙約為1.5eV。導帶底主要來自于Pb 6p軌道，價帶頂主要由I 5p電子貢獻，所以價帶頂到導帶底電子躍遷屬于p-p躍遷，故該材料消光系數高，幾百納米厚薄膜可以充分吸收800nm以下的太陽光。

ii)Pb 6p和I 5p軌道離散明顯，導帶底和價帶頂附近能帶色散更強，進而使得該材料既有優異空穴傳輸又兼具卓越的電子傳輸即雙極性電荷傳輸特性。

iii)這種材料制備簡單而且成本低廉。

上述特性使得鈣鈦礦型結構CH₃NH₃PbI₃不僅可以實現對可見光和部分近紅外光的吸收，繼而光生載流子不易復合，能量損失小，這是鈣鈦礦型太陽能電池能夠實現高效率的根本原因。然而甲胺鉛碘鈣鈦礦材料兩大本征缺陷嚴重制約了該電池大規模應用：其一，甲胺鉛碘鈣鈦礦材料的光穩定性極差且容易遇水分解；其二，甲胺鉛碘鈣鈦礦易溶于水進而加速該材料中的毒性元素——鉛的分散并給環境帶來污染。

目前研究人員試圖通過對有機無機雜化鈣鈦礦(ABX₃)A,B以及X位的元素替換或者摻雜調節其性能，實現優化鈣鈦礦材料光電轉換性能和提高穩定性的目的。目前B位是二價的金屬離子進行替換摻雜的工作僅限于Sn²⁺和Ge²⁺。其中Sn²⁺替換Pb²⁺使材料光學帶隙變窄進一步拓寬的太陽光吸收，但損失了電池器件開路電壓；此外，Sn²⁺在通常環境下容易轉化為Sn⁴⁺導致器件性能惡化。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

i)甲胺鉛碘鈣鈦礦的穩定性急需提高；

甲胺鉛碘鈣鈦礦材料中的毒性元素——鉛，對環境而言是一大隱患。

申請人于之前申請的專利2017100640459采用了Ba作為Pb的替代元素，達到了比較好的效果。但是Ba的效果主要考慮到其與Pb在同一周期，原子半徑相似，采用其他周期的元素能否達到同樣的效果具有極大的不確定性，為了解決上述問題，需要對不同周期的元素摻雜進行驗證和分析。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種具有晶體結構更加穩定，能夠豐富帶隙調整選項，能夠用于制備更大光電轉換效率太陽能電池的帶隙可調的有機無機雜化合金鈣鈦礦。本發明相比之前的申請進一步優化數據，減少了實驗誤差，同時發現Sr與Ba在鈣鈦礦結構中的表現具備很大的區別。