[發明專利]原位控制合成溴鉛銫三元化合物半導體光電薄膜材料的化學方法

在審

• 申請號: 202110325837.3
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113097385A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 鄭直;郭立家;劉滿營;雷巖;范二闖
• 申請（專利權）人: 許昌學院
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 喬宇

本發明涉及原位控制合成溴鉛銫三元化合物半導體光電薄膜材料的化學方法。將溴化銫與氫溴酸的有機溶液旋涂于金屬單質鉛薄膜的基底材料上，160?250℃加熱處理后得到溴鉛銫薄膜樣品，整個實驗過程均在室外旋涂，無需控制濕度。合成的薄膜均勻性好，致密性好，反應條件溫和，無需超聲、光照、微波輔助等傳統能量驅動反應進行，所需耗材便宜，操作簡便。

技術領域：

本發明屬于材料化學技術領域，尤其涉及一種基于溴鉛銫三元化合物半導體光電薄膜材料的太陽能電池器件。

背景技術：

近來，有機-無機混合鈣鈦礦太陽能電池(PSC)由于其低成本、制備方法簡單和出色的光伏性能引起了業內人士廣泛的興趣。在2009年Miyasaka課題組首次將鈣鈦礦材料應用到太陽能電池中，制備出開路電壓為0.96V、光電轉換效率為3.8％的CH₃NH₃PbI₃鈣鈦礦太陽能電池。2012年，課題組用溶液法在TiO₂表面沉積了一層MAPbI₃納米晶，蒸鍍一層金電極，首次制備了異質結太陽能電池，其光電轉換效率為5.5％。隨后，他們又在之前的基礎上，用Spiro-OMeTAD作為空穴傳輸層材料(n-i-p)來替代電解液，制備了鈣鈦礦太陽能電池，光電轉換效率提升至9.7％。2013年，Snaith課題組通過將MAPbI_3-xCl_x制備成簡單的平面異質結結構鈣鈦礦太陽能電池，光電轉換效率也達到了15.4％。2019年，斯坦福大學和亞利桑那州立大學合作，共同研發出效率為25.2％單結鈣鈦礦太陽能電池。單節鈣鈦礦太陽能電池在十年之間從最初的3.8％上升至25.2％。雖然鈣鈦礦太陽能電池以其優異的光電性能和簡單的制備方法在光電領域大放異彩，但是有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池卻很難商業化發展，這是因為鈣鈦礦吸光材料CH₃NH₃PbX₃(X＝I，Br，Cl)中有機陽離子與八面體[PbX₆]結合能力弱，在光熱以及水氧等條件下易分解，濕熱穩定性差。

因此，為了解決有機-無機雜化鈣鈦礦半導體穩定性的問題，用銫離子(Cs⁺)取代有機陽離子(MA⁺、FA⁺)來克服濕熱穩定性問題，促進無機鈣鈦礦的發展非常重要。2012年，首次報道了基于CsSnI₃的無機鈣鈦礦型太陽能電池，其效率為0.88％。2014年，CsSnI₃基器件的光電轉換效率提高到2.02％。隨后，將更穩定的CsPbX₃(X＝I，Br，Cl)材料應用于無機鈣鈦礦型太陽能電池，其效率在短時間內超過10％。這是由于CsPbX₃(X＝I，Br，Cl)鈣鈦礦材料在光捕獲和穩定性之間最為平衡，是一種應用于電池器件的替代材料。更有研究表明，具有鈣鈦礦結構的CsPbI₃和CsPbBr₃在接近其熔點的460℃時仍然能保持穩定的結構和組成。CsPbBr₃無機薄膜材料雖然帶隙為2.3eV，但是具有光吸收能力強、發光波長范圍寬、載流子壽命長等優點，被認為是一種很有前途的無機集光吸收薄膜材料。傳統意義上制備溴鉛銫的方法是通過兩步反應來完成的，首先在基底上制備一層(PbBr₂)薄膜，然后溴化鉛浸泡在溴化銫(CsBr)的有機溶液里反應。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對現有技術的不足而提供一種原位控制合成溴鉛銫三元化合物半導體光電薄膜材料的化學方法，該方法通過簡單的原位溶液反應，然后160-250℃加熱處理原位制備溴鉛銫三元化合物半導體薄膜材料，合成的薄膜均勻致密，合成工藝簡單。

為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是：

一種原位控制合成溴鉛銫(CsPbBr₃)三元化合物半導體光電薄膜材料的化學方法，將溴化銫與氫溴酸的有機溶液旋涂于金屬單質鉛薄膜的基底材料，160-250℃下加熱處理，原位反應制得溴鉛銫三元化合物薄膜材料。