一种光电功能材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种光电功能材料及其应用，属于太阳能电池制备技术领域。本发明专利技术的光电功能材料的化学式为ABX3；其中，所述A为苯胺离子C6H4NH2+、咪唑离子C3H3N2+、吡啶离子C5H4N+、苯甲基C6H4CH3+中的至少一种，B为Cu2+、Ni2+、Fe2+、Co2+中的至少一种；X为F‑、Cl‑、Br‑、I‑、BF4‑、PF6‑中的至少一种。所述光电功能材料可用于制造太阳能电池的光吸收层；所述太阳能电池的光吸收层的上表面自下而上依次设有空穴传输层和对电极，所述光吸收层的下表面自上而下依次设有介孔支架层、电子传输层和基底。本发明专利技术的太阳能电池可以避免铅对环境、人类及动物的危害，具有良好光学吸收和光电转化效率，同时具有良好的耐湿、耐分解的特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池制备
，尤其涉及一种光电功能材料、含有该光电功能材料的光吸收层与含有该光吸收层的太阳能电池。
技术介绍
钙钛矿型太阳能电池代表着19世纪70年代以来光伏
最有意义的突破，也是近几年国内外各科研单位及企业的研究热点。自2009年首次以3.8％的光电转化效率出现后，其效率在随后短短六年里以前所未有的速度不断攀升至最高效率22％。钙钛矿型太阳能电池是以具有钙钛矿晶体结构的有机无机杂化金属卤化物CH3NH3PbX3(X＝I、Br、Cl)为光吸收层的一类新型太阳能电池，其具有光电转化效率高、制备工艺和设备简单低廉、可利用丝网印刷工艺实现工业化生产等优点。尽管基于金属有机卤化铅(CH3NH3PbX3)吸光材料的钙钛矿太阳能电池具有相当高的光电转化效率，但是仍然存在以下不足：第一，目前广泛采用的钙钛矿吸光材料CH3NH3PbX3中含有有毒可致癌重金属铅，一旦分解后会渗透到土壤中从而对环境和人类及动物健康造成极大的威胁，同时阻碍着钙钛矿太阳能电池的商业化发展；第二，金属有机卤化铅对湿度敏感，一定的空气湿度会使钙钛矿材料分解从而使器件性能急剧衰减，这将严重影响太阳能电池的使用寿命；第三，金属有机卤化铅的热稳定性较差，难以承受实际环境中可达到的85℃而分解，这大大限制了该电池的使用区域范围；第四，高质量金属有机卤化铅薄膜的制备一般需要在价值十几万人民币的手套箱中完成，大幅增加了设备的成本。为此，科研人员采用铅同族元素Sn或Ge来代替铅，并获得了相应的有机无机杂化钙钛矿材料，但是该种材料光吸收率低且稳定性差。申请号为201510369063.9、申请日为2015年6月29日的中国专利技术专利“一种有机/无机杂化锡铅混合钙钛矿材料及其制备方法”，公开了使用固体溴化亚铅、固体溴化亚锡作为原材料，混匀、脉冲电磁场处理后采用旋涂法制备有机无机杂化锡铅钛矿薄膜；该专利技术可以降低铅元素含量，以减少对环境的污染；但是其对环境的污染、对湿度敏感和稳定性较差等问题依然存在。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种光电功能材料及其应用，通过研发出一种新型光电功能材料，并将其运用到太阳能电池制备中，可以避免铅对环境、人类及动物的危害，同时具有良好的耐湿和耐分解特性。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种光电功能材料，其化学式为ABX3；其中，所述A为C6H4NH2+、C3H3N2+、C5H4N+、C6H4CH3+中的至少一种；所述B为Cu2+、Ni2+、Fe2+、Co2+中的至少一种；所述X为F-、Cl-、Br-、I-、BF4-、PF6-中的至少一种。上述A离子为疏水型，因而该光电功能材料具有较好的耐湿性，在一定的空气湿度环境下不容易分解，可以满足市场化对器件的湿度稳定性的要求。作为上述方案地改进，所述C6H4NH2+的结构式为：中的至少一种，所述C3H3N2+的结构式为：所述C5H4N+的结构式为：中的至少一种，所述C6H4CH3+的结构式为：中的至少一种。作为上述方案地改进，所述光电功能材料为C6H4NH2CuBr2I、C6H4NH2CuBr3-nFn、C6H4NH2NiI3、C3H3N2CuBr2I、C3H3N2CuBr3-nFn、C3H3N2NiI3中的至少一种，所述0≤n≤3。作为上述方案进一步地改进，所述C6H4NH2CuBr2I为三维非层状钙钛矿晶体结构。另外，本专利技术还提供光电功能材料的制备方法，所述光电功能材料的制备方法为：称量等摩尔比的BX2和AX，混合于玛瑙研钵中研磨30～60min后，在60～80℃保温晶化2～12h，形成相应的粉末晶体。另外，本专利技术还提供所述光电功能材料在制备太阳能电池的光吸收层中的应用。另外，本专利技术还提供一种太阳能电池的光吸收层，所述光吸收层由所述光电功能材料制备而成。另外，本专利技术还提供一种太阳能电池，所述太能电池包括所述光吸收层。作为上述方案地改进，所述光吸收层的上表面自下而上依次设有空穴传输层和对电极；所述光吸收层的下表面自上而下依次设有介孔支架层、电子传输层和基底。作为上述方案进一步地改进，所述基底为镀有氟掺杂SnO2的透明导电玻璃(FTO透明导电玻璃)、镀有锡掺杂SnO2的透明导电玻璃(ITO透明导电玻璃)或镀有氧化铟锡的聚酯薄膜基片(PET柔性ITO导电薄膜基片)；所述电子传输层为致密TiO2层；所述介孔支架层的材料为TiO2、SnO2中的至少一种；所述空穴传输层为无机空穴传输层或有机空穴传输层，所述无机空穴传输层的材料为p型无机半导体，所述p型无机半导体为NiO、CuI、CuSCN、Cu2O中的至少一种，所述有机空穴传输层的材料包括聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)；所述对电极的材料为Au、Ag、Al、Cu、C和导电聚合物中的至少一种。另外，本专利技术还提供太阳能电池的制备方法为，所述太阳能电池的制备方法为：1)基底的预处理：对基底依次用去离子水、丙酮、乙醇分别超声清洗，氮气吹干，然后用紫外臭氧清洗机处理、去除残留的有机物；2)电子传输层的制备：在预处理好的基底上制备电子传输层，并进行退火处理；3)介孔支架层的制备：在电子传输层上制备介孔支架层，并进行退火处理；4)光吸收层的制备：在介孔支架层上采用旋涂法制备光吸收层，并加热形成钙钛矿薄膜；5)空穴传输层的制备：在光吸收层上采用旋涂法制备空穴传输层，并进行退火处理；6)对电极的制备：在空穴传输层上制备对电极。优选地，所述光吸收层是采用光电功能材料溶液进行制备的，光电功能材料溶液的溶剂为二甲基甲酰胺。分别称量BX2和AX，混合后装入玻璃小样瓶中，再加入DMF(二甲基甲酰胺)并磁力加热搅拌，配成ABX3溶液，或者直接用ABX3粉末晶体配成溶液，用于旋涂法制备ABX3吸光层薄膜。本专利技术的有益效果在于：本专利技术研发出一种新型的光电功能材料，并将其运用到太阳能电池的光吸收层的制备中，所述光电功能材料是用二价铜、二价铁、二价镍、二价钴等取代有毒重金属铅元素，对人类及自然环境基本无危害；光电功能材料中引入了疏水型有机离子，因而材料具有较好的耐湿性，在一定的空气湿度环境下不容易分解，可以满足市场化对器件的湿度稳定性要求；光电功能材料在120℃附近才开始分解，足以满足实际环境中最高85℃的要求，具有热稳定性；光吸收层的制备不需要在手套箱中完成，从而大幅降低了设备的成本；同时，原料储存丰富且廉价。本专利技术的技术方案解决了上述技术难题，有着一定的产业化潜力。附图说明图1为本专利技术的太阳能电池的结构示意图；图2为本专利技术实施例1的太阳能电池的电流-电压曲线(J-V曲线)；图3为本专利技术实施例1的光电功能材料(C6H4NH2CuBr2I)的X射线薄膜衍射图(XRD)；图4为本专利技术实施例1的光电功能材料(C6H4NH2CuBr2I)的扫描电子显微形貌图(SEM)；图5为本专利技术实施例1的光电功能材料(C6H4NH2CuBr2I)的紫外-可见吸收光谱图(UV-Vis)；图6为本专利技术实施例1的光电功能材料(C6H4NH2CuBr2I)的紫外光电子能谱图(UPS)；图7为本专利技术实施例1的光电功能材料(C6H4NH2CuBr2I)的导带价带能级示意图；图8为本专利技术实施例1的光电功能材料(C6H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电功能材料，其特征在于：所述光电功能材料的化学式为ABX3；其中，所述A为C6H4NH2+、C3H3N2+、C5H4N+、C6H4CH3+中的至少一种；所述B为Cu2+、Ni2+、Fe2+、Co2+中的至少一种；所述X为F‑、Cl‑、Br‑、I‑、BF4‑、PF6‑中的至少一种。

【技术特征摘要】
1.一种光电功能材料，其特征在于：所述光电功能材料的化学式为ABX3；其中，所述A为C6H4NH2+、C3H3N2+、C5H4N+、C6H4CH3+中的至少一种；所述B为Cu2+、Ni2+、Fe2+、Co2+中的至少一种；所述X为F-、Cl-、Br-、I-、BF4-、PF6-中的至少一种。2.如权利要求1所述的光电功能材料，其特征在于：所述光电功能材料为C6H4NH2CuBr2I、C6H4NH2CuBr3-nFn、C6H4NH2NiI3、C6H4NH2NiI2Br、C3H3N2CuBr2I、C3H3N2CuBr3-nFn、C3H3N2NiI3中的至少一种，所述0≤n≤3。3.如权利要求2所述的光电功能材料，其特征在于：所述C6H4NH2CuBr2I为三维非层状钙钛矿晶体结构。4.如权利要求1所述的光电功能材料的制备方法，其特征在于：所述光电功能材料的制备方法为：称量等摩尔比的BX2和AX，混合后研磨30～60min，在60～80℃保温晶化2～12h，形成相应的粉末晶体。5.如权利要求1～4任一项所述光电功能材料在制备太阳能电池的光吸收层中的应用。6.一种太阳能电池的光吸收层，其特征在于：所述光吸收层由权利要求1～4任一项所述光电功能材料制备而成。7.一种太阳能电池，其特征在于：包括如权利要求6所述光吸收层。8.如权利要求7所述的太阳能电池，其特征在于：所述光吸收层的上表...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金斌，李小磊，韩宏伟，钟向丽，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43