一种具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜及其方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜及其方法和应用，属于太阳能电池领域。制备方法包括将溶有胺配体的第一溶液沉积在三维钙钛矿表面，退火处理以完成三维钙钛矿表面胺分子的预埋，得到预备薄膜；随后将溶有有机铵盐的第二溶液沉积在所述预备薄膜上，退火处理制得具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜。本发明专利技术通过三维钙钛矿上表面预先引入有胺配体分子，调控二维钙钛矿钝化层的生长，形成维度和厚度可控的二维钝化层，从而获得具有优异光电性能的二维三维多级结构钙钛矿薄膜，用以实现了高性能钙钛矿太阳能电池，以混合阳离子卤化铅钙钛矿为基础，制备出24.72％的能量转换效率的反型太阳能电池器件。换效率的反型太阳能电池器件。换效率的反型太阳能电池器件。

【技术实现步骤摘要】
一种具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜及其方法和应用


[0001]本专利技术属于太阳能电池领域，具体涉及一种具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜及其方法和应用。

技术介绍

[0002]通过太阳能电池可将太阳能转化为电能，为人们提供所需要的能源，故实现太阳能到电能的高效转换极具研究意义。硅基太阳能电池制造技术成熟，产品性能稳定，是目前发展最为成熟的体系，但昂贵的原材料成为其发展瓶颈，同时硅电池的单节效率也发展到了极限。因此，开发新型太阳能电池结构取代硅电池或与其进行叠层是近年来众多领域的研究热点。
[0003]三维(3D)有机
‑
无机金属卤化物钙钛矿材料具有一系列优异的光电特性，如载流子扩散距离长、消光系数高、缺陷容忍度高等，并且可以通过低成本简易溶液法进行制备。全固态钙钛矿太阳能电池获得迅猛发展，目前正型结构的钙钛矿太阳能电池(PVSCs)的光电转换效率已经超过25％，PVSCs现已成为低成本高效率太阳能电池的领跑者和最受期待的下一代光伏材料。目前，提升PVSCs效率和稳定性是本领域的重要研究课题。3D钙钛矿表面和晶界存在的大量缺陷会成为非辐射复合中心，导致器件开路电压和填充因子的下降，进而影响光电性能；此外，在水气环境和光照条件下，离子迁移和水分会通过表/界面缺陷慢慢渗透，破坏钙钛矿。
[0004]现有的技术中，可以开发含有杂原子的小分子有机物可以有效钝化三维钙钛矿表/界面缺陷并提升PVSCs效率和稳定性。在众多钝化剂中，小分子有机铵盐作用机制比较特殊，其在三维钙钛矿表面或晶界处容易形成二维钙钛矿，即二维三维多级结构。这一策略能够有效钝化三维钙钛矿表/界面阳离子和卤化物空位缺陷，提升器件光电转换效率和稳定性。但是目前研究表明，在正型结构的钙钛矿器件中，在三维钙钛矿表面生长二维钙钛矿层可以钝化缺陷并且有利于阻挡电子进而大幅提高器件的光电转换效率。而该技术应用到稳定性更加优异、更适合商业化的反型结构器件中虽然可以提高开路电压，但是会明显降低填充因子和电流，最终导致反型结构器件效率仍然落后于正型。因此，在传统的二维三维多级结构体系基础上开发一种新的二维层限域生长工艺，对实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池来说十分重要。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜及其方法和应用，能够制备得到高效稳定的电池器件。运用本专利技术提出的制备工艺，先在三维钙钛矿表面预埋胺配体分子，通过胺配体和有机铵盐强的氢键相互作用限域三维钙钛矿表面二维层钙钛矿生长，进而开发出胺配体限域的二维三维多级结构的高效钙钛矿太阳能电池。
[0006]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜的制备方法，具体如下：
[0008]将溶有胺配体的第一溶液沉积在三维钙钛矿表面，退火处理以完成三维钙钛矿表面胺分子的预埋，得到预备薄膜；随后将溶有有机铵盐的第二溶液沉积在所述预备薄膜上，退火处理完成限域二维钙钛矿层的生长，制得二维三维多级结构钙钛矿薄膜。
[0009]其中，预埋在三维钙钛矿表面的胺分子可与铵盐通过强氢键相互作用，有效调控二维层形成过程中阳离子的交换，构建薄且致密的二维层。
[0010]作为优选，所述三维钙钛矿为ABX3型钙钛矿，其中，A位为铯离子(Cs
+
)、甲胺阳离子(MA
+
)、甲脒阳离子(FA
+
)中的一种或多种混合，B位为铅离子(Pb
2+
)，X位为氯离子(Cl
‑
)、溴离子(Br
‑
)、碘离子(I
‑
)中的一种或多种混合。
[0011]作为优选，所述胺配体为乙二胺、丙二胺、丁二胺中的一种或多种，第一溶液的溶剂为甲苯和氯苯中的至少一种。
[0012]作为优选，所述有机铵盐为芳环和烷基链铵盐中的至少一种，第二溶液的溶剂为异丙醇和氯苯中的至少一种。
[0013]作为优选，制备所述预备薄膜所采用的退火温度为60～80℃，优选为70～80℃。
[0014]作为优选，制备所述二维三维多级结构钙钛矿薄膜所采用的退火温度为100～120℃，优选为100～110℃。
[0015]作为优选，所述第一溶液中胺配体的浓度为0.1
‑
0.2mM，第二溶液中有机铵盐的浓度为1
‑
4mg/mL。
[0016]第二方面，本专利技术提供了一种根据第一方面任一所述制备方法得到的具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜。
[0017]第三方面，本专利技术提供了一种具有二维三维多级结构钙钛矿太阳能电池器件，该太阳能电池器件为多层层状结构，从下到上依次叠合有基底、透明电极层、空穴传输层、光活性层、电子传输层、功函调整层和金属电极层；其中，所述光活性层为第二方面所述的具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜。
[0018]作为优选，所述基底材料为玻璃、石英、柔性PET或柔性PEN中的一种；所述透明电极层材料为氧化铟锡或氟掺氧化锡；所述空穴传输层材料为氧化镍、PTAA、PEDOT或Poly
‑
TPD中的一种，进一步优选为NiO
x
和PTAA双层结构；所述电子传输层材料为PCBM、C
60
或二氧化锌中的一种；所述功函调整层材料为BCP；所述金属电极层材料为银、铝、镁、铜、金、氧化铟锡或氟掺氧化锡中的一种，厚度为50～300nm。
[0019]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0020]1)本专利技术在三维钙钛矿表面预埋胺配体分子，利用其与有机铵盐配体较强的氢键相互作用，限域了三维钙钛矿薄膜上二维钙钛矿的生长，在保留二维层对三维钙钛矿顶部钝化的同时进一步改善二维三维异质界面的电荷传输性能，大幅提升二维三维多级结构反型钙钛矿电池器件效率。
[0021]2)本专利技术通过一种“二维限域生长”的加工工艺，成功调控了二维钙钛矿生长过程中阳离子的交换，使得有机铵盐的浓度在1
‑
4mg/mL范围内均能制备出平均效率大于20％的器件。相比于传统的二维三维多级结构钙钛矿(即不在三维钙钛矿薄膜上预埋胺配体分子)的参照器件，限域的二维三维多级结构反型钙钛矿太阳能电池器件的开路电压和填充因子
均有明显地提高。其中，在三维钙钛矿表面预埋的胺配体分子的浓度为0.1
‑
0.2mM，当预埋的胺配体分子的浓度为0.1mM时，制备的限域的二维三维多级结构的钙钛矿太阳能电池器件的开路电压高达1.20V，是目前报道带隙～1.55eV钙钛矿太阳能电池最高电压之一。
[0022]3)本专利技术发现在三维钙钛矿表面预埋胺配体分子能够有效钝化钙钛矿表面的缺陷，诱导三维钙钛矿上生长出薄且致密的二维层，从而提升器件的光电转换效率和稳定性。最终，以混合阳离子钙钛矿为基础，使用限域的二维三维多级结构钙钛矿制备的反型太阳能电池器件表现出24.72％的效率(V
OC...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，具体如下：将溶有胺配体的第一溶液沉积在三维钙钛矿表面，退火处理以完成三维钙钛矿表面胺分子的预埋，得到预备薄膜；随后将溶有有机铵盐的第二溶液沉积在所述预备薄膜上，退火处理制得具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜。2.根据权利要求1所述具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，所述三维钙钛矿为ABX3型钙钛矿，其中，A位为铯离子、甲胺阳离子、甲脒阳离子中的一种或多种混合，B位为铅离子，X位为氯离子、溴离子、碘离子中的一种或多种混合。3.根据权利要求1所述具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，所述胺配体为乙二胺、丙二胺、丁二胺中的一种或多种，第一溶液的溶剂为甲苯和氯苯中的至少一种。4.根据权利要求1所述具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，所述有机铵盐为芳环和烷基链铵盐中的至少一种，第二溶液的溶剂为异丙醇和氯苯中的至少一种。5.根据权利要求1所述具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，制备所述预备薄膜所采用的退火温度为60～80℃，优选为70～80℃。6.根据权利要求1所述具有二维三维多级结构钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，制备所述二维三维多级结构钙钛矿薄膜所采用的退火温度为100～120℃，优选为100～110℃。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌治，黄燕春，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：