一种纳米胶囊型钙钛矿墨水、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及钙钛矿光电器件的印刷制造领域，具体地，涉及一种纳米胶囊型钙钛矿墨水、制备方法及其应用，该纳米胶囊型钙钛矿墨水包括溶剂和纳米胶囊；所述纳米胶囊具有核壳结构，外壳为质子化的氨基硅烷，内核为钙钛矿纳米晶体；所述溶剂包括扩散溶剂和成核辅助溶剂。本发明专利技术的钙钛矿纳米胶囊墨水十分稳定，并且能够通过印刷的方式制备结晶质量高且均匀的钙钛矿薄膜。矿薄膜。矿薄膜。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米胶囊型钙钛矿墨水、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及钙钛矿光电器件的印刷制造领域，具体地，涉及一种纳米胶囊型钙钛矿墨水、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]金属卤化物钙钛矿太阳能电池作为高效、低成本的光电转换器，在光伏领域引起了极大的关注，近年来取得快速发展。在过去几年中，钙钛矿太阳能电池的认证效率已达到25.5％。
[0003]钙钛矿主要以导电薄膜或导电模组的结构存在于太阳能电池中，但在大规模基底上高通量印刷钙钛矿薄膜和模组仍然是一个挑战，由于钙钛矿在大气条件下稳定性较差，且印刷过程中溶剂的挥发十分缓慢，进而导致大面积印刷工艺中难以控制钙钛矿的快速成核和成膜，目前采用印刷工艺制备的钙钛矿薄膜通常具有低结晶度，高缺陷密度等缺点，并存在大量的晶界，上述缺陷会影响器件的性能和稳定性。
[0004]为了解决上述问题，目前采用包括例如奥斯特瓦尔德熟化、真空闪蒸辅助溶液处理、脉冲光烧结、溶剂退火等方法来改善钙钛矿薄膜的结晶质量，然而，由于薄膜在卷对卷制造中，其连续狭缝涂布较复杂，上述辅助工艺难以与卷对卷工艺进行集成。
[0005]钙钛矿前驱体墨水工程利用几种类型的添加剂(例如有机小分子，铵盐，长链聚合物)、离子液体或溶剂配位来调节晶体生长和钝化缺陷，能够有效改善薄膜的结晶质量。在众多溶剂中，低沸点、高极性的乙腈(ACN)溶剂是钙钛矿前体盐快速沉积的主要候选对象，但是，乙腈溶剂的快速蒸发会加剧溶液的老化，且添加乙腈后的钙钛矿前驱体墨水在印制过程中的结晶机理较复杂，导致印制过程可控性较差，导致重现性较差，难以通过连续加工实现高性能钙钛矿太阳能电池的高通量印刷制造。

技术实现思路

[0006]为改善上述技术问题，本专利技术提供一种纳米胶囊型钙钛矿印刷墨水，通过印刷墨水来控制钙钛矿在大尺寸基底上的印刷结晶并抑制前驱体溶液的老化，从而提高钙钛矿太阳能电池的性能及稳定性。本专利技术的工艺简单、能耗低、精度高、可大面积工业化生产钙钛矿太阳能电池组件。
[0007]本专利技术提供一种纳米胶囊墨水，其包括溶剂和纳米胶囊；
[0008]所述纳米胶囊具有核壳结构，外壳为质子化的氨基硅烷，内核为钙钛矿纳米晶体；
[0009]所述溶剂包括扩散溶剂和成核辅助溶剂。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述纳米胶囊的浓度为0.8～1.3M，优选地，所述纳米胶囊的浓度为0.9～1.1M，例如为1.03M。
[0011]根据本专利技术的实施方案，所述扩散溶剂与成核辅助溶剂的体积比为(12
‑
18):(74
‑
86)，优选地，所述扩散溶剂与成核辅助溶剂的体积比为1:(5
‑
7)，例如为1:5。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述纳米胶囊墨水为胶体溶液。
[0013]根据本专利技术的实施方案，所述纳米胶囊以胶粒形式分散在溶剂中，所述胶粒的尺寸为15
‑
100nm，优选地，所述胶粒的尺寸为20
‑
80nm，更优选地，所述胶粒的尺寸为30
‑
60nm，进一步优选地，所述胶粒的尺寸为40
‑
50nm，例如为20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、50nm、60nm、65nm、70nm、90nm、100nm。
[0014]根据本专利技术的实施方案，所述钙钛矿纳米晶为ABX3型结构，其中，A选自FA、MA、Cs中的一种、两种或三种，B选自Pb，X选自Cl、Br、I中的一种、两种或三种。
[0015]优选地，所述钙钛矿纳米晶选自包括但不限于下述材料中的一种、两种或更多种：MAPbI3、FAPbI3、(FAPbI3)1‑
x
(MAPbBr3)
x
和Cs
0.05
(FA
0.83
MA
0.17
)
0.95
Pb(I
0.83
Br
0.17
)3；其中，0<x<1。
[0016]根据本专利技术的实施方案，所述的氨基硅烷包括但不限于下述物质中的一种、两种或更多种：3
‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、N
‑2‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基甲基二乙氧基硅烷、N
‑
(2
‑
氨乙基)
‑3‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N
‑2‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基三乙氧基硅烷、N
‑2‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基三甲氧基硅烷、3
‑
二乙烯三胺基丙基甲基二甲氧基硅烷和3
‑
二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷。
[0017]根据本专利技术的实施方案，所述成核辅助溶剂为钙钛矿前驱体盐的不良溶剂，所述扩散溶剂为钙钛矿纳米晶的良溶剂。
[0018]优选地，所述不良溶剂选自沸点低于100℃的有机溶剂，例如，所述不良溶剂选自乙腈、甲苯、异丙醇、丁醇、乙酸乙酯和乙醚中一种、两种或更多种。
[0019]优选地，所述良溶剂选自沸点大于150℃的有机溶剂，例如，所述良溶剂选自N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N
‑
甲基吡咯烷酮和γ
‑
丁内酯中一种、两种或更多种。
[0020]本专利技术还提供一种上述纳米胶囊墨水的制备方法，包括以下步骤：
[0021]1)将钙钛矿前驱体盐与成核辅助溶剂混合，溶液中生成钙钛矿纳米晶；
[0022]2)将氨基硅烷溶液加入步骤1)含钙钛矿纳米晶的溶液中，混合，溶液中形成纳米胶囊；
[0023]3)将扩散溶剂添加至步骤2)含纳米胶囊的溶液中，混合，得到所述纳米胶囊墨水。
[0024]根据本专利技术的实施方案，所述钙钛矿纳米晶、成核辅助溶剂、扩散溶剂和氨基硅烷均具有如上文所示的含义。
[0025]根据本专利技术的实施方案，步骤2)中，以占体系总溶液的体积比计，所述氨基硅烷溶液的体积分数为2
‑
8％，优选地，所述体积分数为4
‑
6％，例如为2％、3％、4％、5％、6％、7％或8％。
[0026]根据本专利技术的实施方案，步骤3)以占体系总溶液的体积比计，所述扩散溶剂的体积分数为12
‑
18％，优选地，所述扩散溶剂的体积分数为14
‑
16％，例如为12％、13％、14％、15％、16％、17％或18％。
[0027]优选地，步骤1)中的混合在常温下进行，更优选地，所述混合在搅拌下进行。
[0028]优选地，步骤1)中所述混合的时间为20
‑
40min，例如为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米胶囊墨水，其特征在于，其包括溶剂和纳米胶囊；所述纳米胶囊具有核壳结构，外壳为质子化的氨基硅烷，内核为钙钛矿纳米晶体；所述溶剂包括扩散溶剂和成核辅助溶剂。2.根据权利要求1所述的纳米胶囊墨水，其特征在于，所述纳米胶囊墨水中，纳米胶囊的浓度为0.8～1.3M，优选地，所述纳米胶囊的浓度为0.9～1.1M，例如为1.03M；优选地，所述扩散溶剂与成核辅助溶剂的体积比为(12
‑
18):(74
‑
86)，更优选地，所述扩散溶剂与成核辅助溶剂的体积比为1:(5
‑
7)，例如为1:5。优选地，所述纳米胶囊墨水为胶体溶液。优选地，所述纳米胶囊以胶粒形式分散在溶剂中，所述胶粒的尺寸为15
‑
100nm，更优选地，所述胶粒的尺寸为20
‑
80nm，进一步优选地，所述胶粒的尺寸为30
‑
60nm。3.根据权利要求1或2所述的纳米胶囊墨水，其特征在于，所述钙钛矿纳米晶为ABX3型结构，其中，A选自FA、MA、Cs中的一种、两种或三种，B选自Pb，X选自Cl、Br、I中的一种、两种或三种。优选地，所述钙钛矿纳米晶选自包括但不限于下述材料中的一种、两种或更多种：MAPbI3、FAPbI3、(FAPbI3)1‑
x
(MAPbBr3)
x
和Cs
0.05
(FA
0.83
MA
0.17
)
0.95
Pb(I
0.83
Br
0.17
)3；其中，0<x<1；优选地，所述的氨基硅烷包括但不限于下述物质中的一种、两种或更多种：3
‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基甲基二乙氧基硅烷、3
‑
氨丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、N
‑2‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基甲基二乙氧基硅烷、N
‑
(2
‑
氨乙基)
‑3‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N
‑2‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基三乙氧基硅烷、N
‑2‑
氨乙基
‑3‑
氨丙基三甲氧基硅烷、3
‑
二乙烯三胺基丙基甲基二甲氧基硅烷和3
‑
二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷。优选地，所述成核辅助溶剂为钙钛矿前驱体盐的不良溶剂，所述扩散溶剂为钙钛矿纳米晶的良溶剂。优选地，所述不良溶剂选自沸点低于100℃的有机溶剂，例如，所述不良溶剂选自乙腈、甲苯、异丙醇、丁醇、乙酸乙酯和乙醚中一种、两种或更多种。优选地，所述良溶剂选自沸点大于150℃的有机溶剂，例如，所述良溶剂选自N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N
‑
甲基吡咯烷酮和γ
‑
丁内酯中一种、两种或更多种。4.一种权利要求1至3任一项所述的纳米胶囊墨水的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将钙钛矿前驱体盐与成核辅助溶剂混合，溶液中生成钙钛矿纳米晶；2)将氨基硅烷溶液加入步骤1)含钙钛矿纳米晶的溶液中，混合，溶液中形成纳米胶囊；3)将扩散溶剂添加至步骤2)含纳米胶囊的溶液中，混合，得到所述纳米胶囊墨水。5.根据权利要求4所述的纳米胶囊墨水的制备方法，其特征在于，以占体系总溶液的体积比计，步骤2)中，所述氨基硅烷溶液的体积分数为2
‑
8％，优选地，所述体积分数为4
‑
6％...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄增麒，苏萌，宋延林，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：