一种FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法

摘要

本发明涉及有机材料，光电半导体以及新能源的技术领域，具体涉及一种FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，采用FAPbI3为钙钛矿组分，向其中引入联胺盐作为添加剂，通过溶液法制备FAPbI3钙钛矿太阳能电池。本发明的制备方法中以FAPbI3作为钙钛矿的原材料组分，通过在制备FAPbI3组分时通过调控联胺盐添加剂的比例以及不同阴离子种类的联胺盐，来控制FAPbI3在形成钙钛矿晶相过程中的退火温度以及结晶质量，用于制备更加好的钙钛矿结晶，从而得到性能更优异的FAPbI3钙钛矿太阳能电池，该方法简单易行，制备器件性能优异。

权利要求

1.一种FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：采用FAPbI3为钙钛矿组分，向其中引入联胺盐作为添加剂，通过溶液法制备FAPbI3钙钛矿太阳能电池；

具体制备方法为：将甲脒氢碘酸盐和碘化铅溶解于溶剂中，再加入一定量的联胺盐，混合均匀后，将溶液旋涂于基底表面，再在一定温度下进行退火，即得到FAPbI3钙钛矿薄膜，采用所述FAPbI3钙钛矿薄膜作为光活性层制备钙钛矿电池；退火温度为100‑140 ℃。

2.根据权利要求1所述的FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述联胺盐为联胺盐酸盐、联胺氢溴酸盐、联胺氢碘酸盐、联胺醋酸盐、联胺硫酸盐、联胺硼酸盐、联胺四氟硼酸盐、联胺六氟硼酸盐、联胺四氟磷酸盐、联胺六氟磷酸盐中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述添加剂占FAPbI3组分的摩尔百分数为1%‑15 %。

4.根据权利要求1所述的FAPbI3钙钛矿太阳能电池的 制备方法，其特征在于：所述甲脒氢碘酸盐和碘化铅摩尔比为1:1。

5.根据权利要求1所述的FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述溶剂为体积比为0‑5:10的二甲基亚砜和N，N‑二甲基甲酰胺的混合液，或者体积比为1：（0‑1）：（8‑9）的二甲基亚砜以及N‑甲基吡咯烷酮和N，N‑二甲基甲酰胺的混合液，或者是体积比为

1:1‑2的乙醇和二甲基乙酰胺溶液，或者是7:3‑9:1的2‑甲氧基乙醇和二甲基亚砜混合溶液，或者是7:3‑9:1的γ‑丁内酯和二甲基亚砜混合溶液。

6.根据权利要求1所述的FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：反应体系中，生成的FAPbI3组分的浓度为1‑2 M。

说明书

一种FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及有机材料，光电半导体以及新能源的技术领域，具体涉及一种FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法。

背景技术

[0002] 随着人类生活生产的发展，对能源的需求量越来越大，目前主要消耗的还是传统的化石能源。但是在大量消耗传统化石能源的过程中，难以避免的对环境产生了很大的污染，所以亟待开发一种新的清洁能源来满足人类日益增长的需求。太阳能作为一种能量巨大的清洁能源，已经被人们开始关注与利用。目前，硅基太阳能电池器件已经商用化，但是它自身也伴随着许多不足，需要一种新的材料来弥补这些不足的问题。作为新的光电材料，钙钛矿在这样的背景下得到了迅速的发展，由于它具有许多优点，例如可调的带隙、长的载流子扩散长度、轻质以及制备方法简单，使得其备受青睐。在最近十几年的发展中，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到了飞速的提升，从最开始的3.8%到现在的已经超过了25%，转换效率已经可以和商用的硅基太阳能电池相媲美。FAPbI（3 FA为甲脒，Pb为铅，I为碘）在理论上具有较为合适的带隙，是制备高效钙钛矿太阳能电池的潜力组分，但是这种组分的钙钛矿也有很多问题。其中最主要的是，它在温度150 ℃以上可以保持黑色的α相，一旦温度低于150 ℃，就容易转变为无效的黄相δ相，这就使得它的制备与应用产生了很大的障碍。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法，解决现有在制备FAPbI3钙钛矿的过程中需要高温，同时形成的钙钛矿在室温下又具有不稳定性的问题，降低了FAPbI3钙钛矿制备温度以及增加室温下黑色α相的稳定性。

[0004] 本发明实现目的所采用的方案是：一种FAPbI3钙钛矿太阳能电池的制备方法采用FAPbI3为钙钛矿组分，向其中引入联胺盐作为添加剂，通过溶液法制备FAPbI3钙钛矿太阳能电池。

[0005] 优选地，所述联胺盐为联胺盐酸盐、联胺氢溴酸盐、联胺氢碘酸盐、联胺醋酸盐、联胺硫酸盐、联胺硼酸盐、联胺四氟硼酸盐、联胺六氟硼酸盐、联胺四氟磷酸盐、联胺六氟磷酸盐中的至少一种。

[0006] 优选地，所述添加剂占FAPbI3组分的摩尔百分数为1%‑15 %。

[0007] 优选地，具体制备方法为：将甲脒氢碘酸盐和碘化铅溶解于溶剂中，再加入一定量的联胺盐，混合均匀后，将溶液旋涂于基底表面，再在一定温度下进行退火，即得到FAPbI3钙钛矿薄膜，采用所述FAPbI3钙钛矿薄膜作为光活性层制备钙钛矿电池。

[0008] 优选地，所述甲脒氢碘酸盐和碘化铅摩尔比为1:1。

[0009] 优选地，所述溶剂为体积比为0‑5:10的二甲基亚砜和N，N‑二甲基甲酰胺的混合液，或者体积比为1：（0‑1）：（8‑9）的二甲基亚砜以及N‑甲基吡咯烷酮和N，N‑二甲基甲酰胺的混合液，或者是体积比为1:1‑2的乙醇和二甲基乙酰胺溶液，或者是7:3‑9:1的2‑甲氧基乙醇和二甲基亚砜混合溶液，或者是7:3‑9:1的γ‑丁内酯和二甲基亚砜混合溶液。

[0010] 优选地，反应体系中，生成的FAPbI3组分的浓度为1‑2M。

[0011] 优选地，退火温度为100‑150 ℃。

[0012] 本发明的制备方法的机理是：通常FAPbI3钙钛矿太阳能电池在制备的过程中需要达到150 ℃以才能形成黑色的α相，需要相对较高的制备温度，这就使得制备受到了很大的限制。另外制备好的钙钛矿在室温下容易转变为黄色的δ相，给其应用带来了很大的障碍。本发明的制备方法中通过引入联胺盐，在结晶过程中降低结晶温度，从而降低FAPbI3钙钛矿的制备温度，同时增强其室温下的稳定性能，有益于提升其器件的性能。并且经过表征，发现添加的联胺阳离子并最终没有进入结晶的晶格。

[0013] 本发明具有以下优点和有益效果：

[0014] 本发明的制备方法中以FAPbI3作为钙钛矿的原材料组分，通过在制备FAPbI3钙钛矿时通过调控联胺盐添加剂的比例以及不同阴离子种类的联胺盐，来控制FAPbI3钙钛矿的退火温度以及结晶质量，用于制备更加好的钙钛矿结晶，从而得到性能更优异的FAPbI3钙钛矿太阳能电池，该方法简单易行，制备器件性能优异。解决了现有在制备FAPbI3钙钛矿的过程中需要高温，同时形成的钙钛矿在室温下又具有不稳定性的问题，同时降低了其制备温度以及增加室温的黑色α相稳定性。

附图说明

[0015] 图1是实施例1‑4及对比例1中在FAPbI3钙钛矿中引入不同含量联胺盐酸盐（HACl）添加剂的实物图；

[0016] 图2是实施例1‑4及对比例1中在FAPbI3钙钛矿中引入不同含量HACl添加剂的UV‑Vis图谱；

[0017] 图3是实施例5‑6及对比例1中在FAPbI3钙钛矿中引入不同含量联胺氢碘酸盐（HAI）添加剂的实物图；

[0018] 图4是实施例5‑6及对比例1中在FAPbI3钙钛矿中引入不同含量HAI添加剂的UV‑Vis图谱；

[0019] 图5是实施例7中在FAPbI3组分中引入摩尔百分数为10%联胺盐酸盐（HACl）添加剂在100℃‑140℃退火制备的实物图。

具体实施方式

[0020] 为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

[0021] 本发明的钙钛矿电池的整体结构为现有技术，组成为电极/空穴传输层/钙钛矿薄膜/电子传输层/电极，在本发明的钙钛矿太阳能电池器件的制备过程中，主要研究的是钙钛矿薄膜这一层，为光活性层，主要进行光电转化，其它层为现有常规选择，在此不做赘述。

[0022] 实施例1

[0023] 将摩尔比为1 : 1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），然后加入占FAPbI3组分摩尔百分数为2.5 %的HACl，FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后在100 ℃下退火1 h，得到的样品实物图如图1，样品的外观呈现黑颜色的薄膜，说明形成了钙钛晶相矿。进一步对所得薄膜进行UV‑Vis测试得到紫外吸收曲线如图2，可以发现薄膜在波长为825 nm以下有很明显的吸收。

[0024] 实施例2

[0025] 将摩尔比为1 : 1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），然后加入占FAPbI3组分摩尔百分数为5 %的HACl，FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后在100 ℃下退火1 h，得到的样品实物图如图1，样品的外观呈现黑颜色的薄膜说明形成了钙钛矿晶相。进一步对所得薄膜进行UV‑Vis测试得到紫外吸收曲线如图2，可以发现薄膜在波长为825 nm以下有很明显的吸收。

[0026] 实施例3

[0027] 将摩尔比为1 : 1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），然后加入占FAPbI3组分摩尔百分数为7.5%的HACl，FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后在100 ℃下退火1 h，得到的样品实物图如图1，样品的外观呈现黑颜色的薄膜说明形成了钙钛矿晶相。进一步对所得薄膜进行UV‑Vis测试得到紫外吸收曲线如图2，可以发现薄膜在波长为825 nm以下有很明显的吸收。

[0028] 实施例4

[0029] 将摩尔比为1 : 1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），然后加入占FAPbI3组分摩尔百分数为15%的HACl，FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后在100 ℃下退火1 h，得到的样品实物图如图1，样品的外观呈现黑颜色的薄膜说明形成了钙钛矿晶相。进一步对所得薄膜进行UV‑Vis测试得到紫外吸收曲线如图2，可以发现薄膜在波长为825 nm以下有很明显的吸收。

[0030] 实施例5

[0031] 将摩尔比为1 : 1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），然后加入占FAPbI3组分摩尔百分数为1%的HAI，FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后在100 ℃下退火1 h，得到的样品实物图如图1，样品的外观呈现黑颜色的薄膜说明形成了钙钛矿晶相。进一步对所得薄膜进行UV‑Vis测试得到紫外吸收曲线如图2，可以发现薄膜在波长为825 nm以下有很明显的吸收。

[0032] 实施例6

[0033] 将摩尔比为1 : 1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），然后加入占FAPbI3组分摩尔百分数为10%的HAI，FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后在100 ℃下退火1 h，得到的样品实物图如图1，样品的外观呈现黑颜色的薄膜说明形成了钙钛矿晶相。进一步对所得薄膜进行UV‑Vis测试得到紫外吸收曲线如图2，可以发现薄膜在波长为825 nm以下有很明显的吸收。

[0034] 实施例7

[0035] 将摩尔比为1 : 1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），然后加入占FAPbI3组分摩尔百分数为10%的HACl，FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后分别在100 ℃、130℃、140℃下退火1 h，得到的样品实物图如图5，样品的外观呈现黑颜色的薄膜说明形成了钙钛矿晶相。

[0036] 对比例1

[0037] 将摩尔比为1:1的FAI（甲脒氢碘酸盐）和PbI（2 碘化铅）溶解于混合溶液中（体积比DMSO : DMF = 1 : 4），FAPbI3组分的浓度为1.2 M，在手套箱中进行隔夜搅拌，将溶液过滤后旋涂，然后在100 ℃下退火1 h，得到的样品实物图如图1，样品的外观呈现黄颜色的薄膜说明没有形成钙钛矿晶相。进一步对所得薄膜进行UV‑Vis测试得到紫外吸收曲线如图2，可以发现薄膜基本不吸收光。

[0038] 以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。