[發明專利]一種高質量無機鈣鈦礦薄膜及其制備方法和在太陽能電池中的應用

有效

• 申請號: 201710335938.2
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107204379B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 胡勁松;劉杰;葛倩慶
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所;中國科學院大學
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0264
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 劉元霞;牛艷玲

本發明公開了一種高質量無機鈣鈦礦薄膜及其制備方法和作為吸收層應用于太陽能電池中。所述高質量無機鈣鈦礦薄膜制備過程中引入了所述無機鈣鈦礦前驅體的良溶劑和一種揮發性較所述良溶劑慢且能增進前驅體溶解度的有機溶劑的混合溶劑；通過調節兩種溶劑的比例，利用后者揮發性較慢且能增進前驅體溶解度的特點，可得到均勻致密連續的無機鈣鈦礦薄膜，所述混合溶劑還可以顯著提升無機鈣鈦礦材料前驅體溶液的濃度，進而提升采用該無機鈣鈦礦薄膜制備的無機鈣鈦礦太陽能電池短路電流密度。所述制備方法的制備條件溫和，且制備步驟簡單、操作方便、成本低，能耗小等諸多優點，適合于工業化生產。

技術領域

本發明屬于太陽能電池領域，具體涉及一種高質量無機鈣鈦礦薄膜及其制備方法和作為吸收層在薄膜太陽能電池中的應用。

背景技術

隨著當代社會工業化的迅猛發展，日益嚴重的能源與環境問題加速了新能源技術的開發與利用，太陽能憑借其資源儲量豐富，清潔環保等優勢受到了人們的廣泛關注，而作為光電轉換器件的太陽能電池成為研究的焦點。近年來，鈣鈦礦太陽能電池性能飛速提升，成為最有希望替代硅太陽能電池及銅銦鎵硒太陽能電池的第三代太陽能電池。自從2009年Miyasaka和他的同事第一次報道有機無機雜化鈣鈦礦太陽電池并取得3.8％的光電轉換效率之后，關于有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的研究進入了騰飛階段。有機無機雜化鈣鈦礦材料，特別是ABX₃結構的三鹵素化合物(A是甲胺陽離子(CH₃NH₃⁺)或甲脒陽離子(CH(NH₂)₂⁺)，B是金屬陽離子Pb²⁺或者Sn²⁺，X是Cl^-，Br^-，I^-等鹵素陰離子)，如CH₃NH₃PbI₃，CH(NH₂)₂PbI₃受到了廣泛的關注。它由共頂角的BX₆八面體組成，A位陽離子起平衡價態的作用。有機無機雜化鈣鈦礦材料用作太陽能電池吸收層已經取得了22.1％的認證轉換效率。鈣鈦礦太陽能電池優異的光伏性能得益于鈣鈦礦材料本身優異的光電性質，如強的吸光系數，長載流子擴散長度，高載流子遷移率，雙極性電荷傳輸，低激子結合能以及幾乎沒有深能級缺陷。盡管就美國清潔能源國家實驗室的認證效率來講，鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉換效率已經可以和碲化鎘(22.1％)，銅銦鎵硒(22.6％)相匹敵，但不穩定一直是籠罩在鈣鈦礦太陽能電池頂上的一朵烏云。這里穩定性指的是水穩定性，溫度穩定性，紫外可見光下的穩定性，以及工作狀態下輸出電流的穩定性。很多研究表明，甲胺陽離子(CH₃NH₃⁺)或甲脒陽離子(CH(NH₂)₂⁺)可能是鈣鈦礦材料不穩定的元兇，這些有機基團的存在導致鈣鈦礦的解離能很低，因而在較低的溫度下就會分解。考慮到有機陽離子的主要作用是穩定鈣鈦礦結構和改變晶格參數，而有機陽離子本身并不決定鈣鈦礦材料的能帶結構。用無機陽離子如Cs⁺取代有機陽離子成為可能。通過Cs⁺與CH(NH₂)₂⁺的混合，Snaith組采用[CH(NH₂)₂]_0.83Cs_0.17Pb(I_0.6Br_0.4)₃的化學組成，得到了在較高溫度下可穩定存在的鈣鈦礦吸收層。更進一步，采用不同的薄膜制備工藝，很多課題組報道了CsPbI_3-xBr_x無機鈣鈦礦太陽能電池。Eperon等人采用一步法制備了CsPbI₃薄膜，光電轉換效率可達2.9％。Kulbak等采用兩步法制備了光電轉換效率可達5.59％的CsPbBr₃鈣鈦礦太陽能電池。Ma等采用雙源蒸鍍的方法制備了光電轉換效率可達4.7％的CsPbIBr₂鈣鈦礦太陽能電池。最近，Sutton等人采用一步法制備了光電轉換效率接近10％的CsPbI₂Br鈣鈦礦太陽能電池。考慮到CsPbI₃在大氣條件下不穩定，而CsPbIBr₂及CsPbBr₃禁帶寬度太大，只有1.92eV且在大氣中相對穩定存在的CsPbI₂Br有望用作多節太陽能電池的頂電池。然而，簡單的一步法采用DMF作為溶劑不能制備均勻的CsPbI₂Br薄膜，且因為CsBr在DMF中溶解度有限，無法制備較高濃度前驅體溶液。進而影響無機鈣鈦礦薄膜厚度及與之相關的光電轉換性能。