[發明專利]半導體材料、包含它的光電轉換器件及制備方法

有效

• 申請號: 201910631050.2
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110330435B
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發明（設計）人: 孫寶云;劉冰;崔榮麗;黃換;郭喜紅
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: C07C211/04
• 分類號: C07C211/04;C07C209/00;H01L51/00;H01L51/42
• 代理公司: 北京律智知識產權代理有限公司 11438
• 代理人: 李華;崔香丹

本發明提供一種半導體材料，其為式AM1_x1Pb_x2I_3?y1X_y2所示的鈣鈦礦化合物；其中，所述化合物中A為甲銨陽離子、甲脒陽離子和Cs陽離子中的一種或多種；M1的價態為n1、X的價態為?n2，x1、x2、y1、y2滿足下式：1+n1x1+2x2＝3?y1+n2y2，x2不等于0，x1、y2不同為0；所述化合物中M1為電極電勢大于等于E(Pb⁴⁺/Pb²⁺)的陽離子，X為電極電勢大于等于E(Pb⁴⁺/Pb²⁺)的陰離子或F^?。本發明在鈣鈦礦化合物中摻雜高氧化性金屬離子或者強吸電子離子或者基團，提高載流子濃度和電荷傳輸，改善薄膜形貌、結晶性和晶粒尺寸，從而提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩定性。

技術領域

本發明屬于新能源、新材料技術領域，具體涉及一種半導體材料、包含它的光電轉換器件及制備方法。

背景技術

有機金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在短短幾年的時間內有了突飛猛進的發展，其中效率從3.8％提高到23.7％，只用了不到10年時間，因此受到廣泛的關注。鈣鈦礦材料具有優異的光電性能，例如高的態密度和吸收系數、材料無序度小、較低的開路電壓損耗、載流子擴散長度較長等特性。鈣鈦礦太陽能電池研究的核心問題在三個方面，一是提高效率，二是提高其穩定性，三是電滯回線問題。

鈣鈦礦電池提高效率的重點在于增加晶粒尺寸、減小缺陷，減小載流子在界面和表面復合，擴展吸收光譜等。其中，對于準平面結構而言，鈣鈦礦薄膜形貌調控尤為重要。薄膜晶體質量提高，載流子復合減小，壽命增加，反向飽和電流(J₀)減小，電池效率提高。薄膜形貌調控主要有以下四種方法：形成中間體，抑制結晶過程；延緩溶劑揮發速度；快速局部過飽和成核；兩步旋涂法。

相對于轉換效率的快速提升，器件穩定性無疑是鈣鈦礦太陽能電池研究中必須迫切解決的關鍵問題之一，更是其產業化面臨的瓶頸問題。鈣鈦礦電池不穩定性主要來源于鈣鈦礦材料自身不穩定性和界面材料的不穩定性。提高穩定性的方法主要集中在界面改性，例如利用碳電極作為電極和保護層，利用全無機的電荷傳輸層提高器件穩定性，利用特性分子交聯穩定鈣鈦礦材料。

鈣鈦礦材料本身組分對其效率和穩定性影響很大，對于鈣鈦礦ABX₃型的晶體結構而言，A是有機陽離子(如甲胺(MA)、甲脒(FA))或無機陽離子(Cs⁺)，B是金屬陽離子(如Pb²⁺,Sn²⁺)，X是陰離子(I^-,Br^-,Cl^-)。目前最廣泛用于太陽能電池的鈣鈦礦材料CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)無論是從效率還是從穩定性方面，都需要進一步提高。

發明內容

為克服上述缺陷，本發明提供一種半導體材料、包含該半導體材料的光電轉換器件及該器件的制備方法。

本發明一方面提供一種半導體材料，其為式AM1_x1Pb_x2I_3-y1X_y2所示的鈣鈦礦化合物；其中，所述化合物中A為甲銨陽離子、甲脒陽離子和Cs陽離子中的一種或多種；M1的價態為n1、X的價態為-n2，x1、x2、y1、y2滿足下式：1+n1x1+2x2＝(3-y1)+n2y2，x2不等于0，x1、y2不同為0；所述化合物中M1為電極電勢大于等于E(Pb⁴⁺/Pb²⁺)的金屬陽離子，X為電極電勢大于等于E(Pb⁴⁺/Pb²⁺)的陰離子或F^-。