[發明專利]生產鈣鈦礦鹵化物膜的方法

有效

• 申請號: 201780019004.6
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN108886067B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 朱愷;楊孟錦;周圓圓;N·P·帕德圖爾
• 申請（專利權）人: 可持續能源聯合有限責任公司;布朗大學
• 主分類號: H01L31/0256
• 分類號: H01L31/0256;H01L31/0224;H01L31/0445;H01L51/42;H01L51/44;H01G9/20
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 李躍龍

本公開的一個方面是一種方法，其包括將鈣鈦礦固體的第一陽離子的至少一部分與第二陽離子交換，其中通過將鈣鈦礦固體暴露于第二陽離子的前體來進行交換，使得第二陽離子的前體氧化以形成第二陽離子且第一陽離子還原以形成第一陽離子的前體。

相關申請的交叉引用

本申請要求2016年2月22日提交的美國臨時申請No.62/298,079的優先權，其內容通過引用整體并入本文。

合同起源

美國政府根據美國能源部與可持續能源聯盟有限責任公司，國家可再生能源實驗室的經理和運營商之間的合同號DE-AC36-08GO28308享有本公開的權利。

背景技術

由于其延伸至紅外線(IR)的增強的太陽光吸收，a-HC(NH₂)₂PbI₃(α-FAPbI₃)鈣鈦礦膜非常適用于鈣鈦礦太陽能電池(PSC)。然而，與其CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)鈣鈦礦對應物相比，(α-FAPbI₃)鈣鈦礦薄膜的沉積明顯更具挑戰性。

作為光吸收材料，有機鉛三鹵化合物鈣鈦礦的膜已經得到廣泛的研究，其是新鈣鈦礦太陽能電池(PSC)的核心。低成本的溶液處理(solution-processing)和高功率轉換效率(PCE)的獨特組合可與傳統的硅基太陽能電池相媲美，為PSC帶來了巨大希望。雖然具有約1.55eV帶隙的甲基銨三碘化鉛(CH₃NH₃PbI₃或MAPbI₃)鈣鈦礦在PSC方面得到了最廣泛的研究，但甲脒三碘化鉛(α-HC(NH₂)₂PbI₃或α-FAPbI₃)鈣鈦礦對于PSC也是非常有前途的。這主要是因為FAPbI₃具有約1.45eV的較小帶隙，將光吸收延伸到太陽光譜的紅外區域。

由于鈣鈦礦膜的形態在決定PSC的PCE中起著重要作用，因此為了控制膜的均勻性和/或定制鈣鈦礦微觀結構已經進行了前所未有的努力，特別強調了MAPbI₃鈣鈦礦。然而，由于以下挑戰，用于FAPbI₃鈣鈦礦膜形態和微觀結構工程的有效方案的開發是滯后的。首先，FA⁺陽離子的“離子半徑”大于MA⁺陽離子的離子半徑，且FA⁺和MA⁺陽離子的分子結構差異很大，預計兩者都會影響α-FAPbI₃鈣鈦礦的溶液生長動力學。其次，在室溫下FAPbI₃也以“黃色”α-FAPbI₃非鈣鈦礦多晶型物結晶，其與α-FAPbI₃鈣鈦礦的形成相關。因此，與MAPbI₃相比，純相的α-FAPbI₃鈣鈦礦膜的生長需要對合成工序進行更嚴格的控制，其是在實現用于PSC的α-FAPbI₃鈣鈦礦的全部潛力的路徑中的主要障礙。因此，需要克服這些困難的方法來生產適用于PSC的高品質的α-FAPbI₃鈣鈦礦膜。

發明內容

本公開的一個方面是一種方法，其包括將鈣鈦礦固體的第一陽離子的至少一部分與第二陽離子交換，其中通過將鈣鈦礦固體暴露于第二陽離子的前體來進行交換，使得第二陽離子的前體氧化以形成第二陽離子且第一陽離子還原以形成第一陽離子的前體。在本公開的一些實施方案中，可以通過將鈣鈦礦固體暴露于包含第二陽離子的前體的氣體來進行交換。在本公開的一些實施方案中，可以在約0.1大氣壓至約5大氣壓的壓力下利用氣體進行暴露。在本公開的一些實施方案中，可以在100℃至300℃的溫度下進行交換。在本公開的一些實施方案中，鈣鈦礦固體可以包括顆粒和/或膜中的至少一種。