一种Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料及其制备和应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于f丐钛矿太阳能电池技术领域，涉及Sr-Pb二元金属复合f丐钛矿材料及 其制备和在异质结太阳能电池中的应用，有利于减少钙钛矿电池中的Pb用量，从而减轻大 规模商业化该类型电池造成的环境危害。
【背景技术】
[0002] 太阳能电池是一种将光能转换成电能的器件；现有的商业化太阳能电池不论是晶 硅太阳能电池还是各种薄膜太阳能电池，因为其高昂的成本不利于规模化应用。从2009年 日本科学家Miyasaka报道液态钙钛矿CH 3NH3PbI3太阳能电池3. 8 %的效率，2015年韩国 Soek等认证20. 1%的效率，钙钛矿太阳能电池性能的指数级发展引起了科学界和产业界 极大的兴趣。这种电池具有成本低廉、制作工艺简单、原材料广泛和稳定性高等优点，因而 具有巨大市场潜力。
[0003] 现有的钙钛矿太阳能电池中的吸光层，其金属离子通常100%由Pb2+组成，例如： CH 3NH3PbI3或CH 3NH3PbI3 XC1X。这种钙钛矿材料因为有毒重金属Pb2+含量较高，具有较高的 环境风险，不利于钙钛矿太阳能电池的大规模产业化应用。因此，使用Sr-Pb二元金属复合 钙钛矿（CH 3NH3PblxSrxHyI 3y)作为吸光层对于环境保护和大规模应用具有重要的意义。
[0004] 太阳能电池表征的主要参数为短路电流密度（JJ、开路电压（VJ、填充因子（FF) 和光电转换效率（PCE)。其中，J s。指的是单位面积电路处于短路时产生的光电流，V。。为电 路处于开路时的光电压，FF表示为电池的最大输入功率与极限输出功率之比即
?Lpt为最大输出功率时的电流密度，V。#为最大输出功率时的电压。PCE是指太阳能电池 将太阳能转化为电能的比例，表示为电池的最大输出功率？_与入射光功率Pin的比值 即：
，其中，Pin为常用AM1. 5的太阳辐照条件 下的入射能量密度，为100mWcm2。
【发明内容】
[0005] 本发明目的旨在提供一种低铅含量钙钛矿材料及制备方法，以及在太阳能电池领 域的应用方法，在保持电池的光电转换效率基础上，解决现有钙钛矿电池的环境友好问题。
[0006] 本发明提出一种Sr-Pb复合钙钛矿材料，其特征在于，其由卤化甲基胺、卤化铅、 卤化锁，以及N，N-二甲基甲酰胺DMF、y - 丁内酯或者二甲基亚DMS0溶剂配制成；
[0007] 其中各成份摩尔百分比为：卤化铅和卤化锶混合物之和，与卤化甲基胺的比例为 1 :1~1 :2 ;所述卤化铅和卤化锶混合物中，卤化铅10~90%、卤化锶10~90% ;所述卤 化甲基胺、卤化铅、卤化锶溶解在N，N-二甲基甲酰胺DMF、y - 丁内酯或者二甲基亚DMS0溶 剂中形成溶液，作为Sr-Pb二元金属复合f丐钛矿材料，所述卤化甲基胺、卤化铅、卤化锁占 材料总质量的10%~60%。
[0008] 相应地，本发明提出一种Sr-Pb复合钙钛矿材料制备方法，其特征在于包括如下 步骤：
[0009] (1)在常温下，按摩尔百分比卤化铅10~90%、卤化锶10~90%，将它们均匀混 合，形成卤化铅和卤化锶混合粉末；
[0010] ⑵将所述卤化铅和卤化锶混合粉末，与卤化甲基胺晶体按摩尔比1:1~1:2配 比，形成混合物；
[0011] (3)将所述混合物溶解N，N-二甲基甲酰胺（DMF)、y-丁内酯或者二甲基亚砜 (DMS0)溶剂中，在70~120°C下搅拌，直至全部溶解，得到Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材 料；其中，所述混合物占材料总质量的质量比为10%~60%。
[0012] 进一步的，所述的卤化甲基胺是CH3NH3Cl、CH 3NH3Br或者CH3NH3I的一种；所述卤化 铅是PbCl 2、PbBr2或者Pbl 2的一种；所述的卤化锶是SrCl 2、SrBr2S Sri 2中的一种或几种 的组合。
[0013] 本发明提出一种将所述Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料用于太阳能电池制备方 法，其特征在于包括如下步骤：
[0014] 1、清洗步骤：将FT0导电玻璃基底放在超声清洗器中，依次用PH = 8~10弱碱性 液体洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮各清洗5~20分钟；
[0015] 2、空穴阻挡层制备步骤：将清洗干净的FT0导电玻璃基底在400~600°C下加热， 将0. 01~0. 05m〇l/L的钛酸异丙酯异丙醇溶液喷涂在此基底上，加热20~60分钟，形成 20~100nm厚的致密Ti0 2空穴阻挡层；
[0016] 3、电子传输层制备步骤：在所述1102阻挡层上，丝网印刷200~lOOOnm厚的Ti02 纳米颗粒层，在450~550°C条件下，退火0. 5~2小时，形成200~lOOOnrn的介孔1102电 子传输层；
[0017] 4、介孔绝缘层制备步骤：将包含有直径为10~50nm Zr02纳米颗粒或者A1 203纳 米颗粒的浆料，通过丝网印刷在电子传输层上，在450~550°C下烧结0. 5~2小时，形成 200nm~lOOOnrn的介孔绝缘层；
[0018] 5、碳对电极制备步骤：将由纳米炭黑、石墨粉和Zr02纳米粘合剂组成的碳楽;料用 丝网印刷的方式叠印在所述介孔绝缘层上，在400~500°C条件下，烧结0. 5~2小时，形成 厚度为5~20 y m的碳对电极；
[0019] 6、Sr-Pb二元金属复合妈钛矿材料填充步骤：将所述的Sr-Pb二元金属复合?丐 钛矿材料加热至70~120°C，取1~10 yL滴在所述太阳能电池的碳对电极表面，然后以 70~120°C温度加热10~60分钟，使Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料溶剂挥发，得到固态 的Sr-Pb二元金属复合|丐钛矿太阳能电池。
[0020] 本发明提出另一种将所述Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料用于太阳能电池制备 方法，其特征在于包括如下步骤：
[0021] 1、清洗步骤：将FT0导电玻璃基底放在超声清洗器中，依次用PH = 8~10弱碱性 液体洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮各清洗5~20分钟；
[0022] 2、空穴阻挡层制备步骤：将清洗干净的FT0导电玻璃基底在400~600°C下加热， 将0. 01~0. 05m〇l/L的钛酸异丙酯异丙醇溶液喷涂在此基底上，加热20~60分钟，形成 20~100nm厚的致密Ti0 2空穴阻挡层；
[0023] 3、电子传输层制备步骤：在制备好的所述阻挡层上，丝网印刷一层100~500nm厚 的110 2纳米颗粒，在450~550°C条件下，退火0. 5~2小时，形成一层约100~500nm介 孔Ti02电子收集层；
[0024] 4、Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料吸光层制备步骤：取50~1000 y L权利要求 1所述的Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料旋涂在电子阻挡层上，在70~150°C环境下，加 热10~120分钟，使Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料溶剂挥发形成一层200~lOOOnm的 Sr-Pb二元金属复合妈钛矿材料吸光层；
[0025] 5、空穴传输层制备步骤：分别用P3HT、Spir〇-Me0TAD、PTAA、CuI，CuSCN溶液，旋涂 在所述的钙钛矿吸光层上，形成50~200nm空穴传输层；
[0026] 6、金属对电极制备步骤：在所述空穴传输层上蒸镀一层厚度为60~150nm长度为 5~10mm宽度为2~10mm的Au或Ag电极，得到固态的Sr-Pb二元金属复合f丐钛矿太阳能 电池。
[0027] 本发明提出第三种将所述Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料用于太阳能电池制备 方法，其特征在于包括如下步骤：
[0028] 1、清洗步骤：将FT0导电玻璃基底放在超声清洗器中，依次用PH = 8~10弱碱性 液体洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮各清洗5~20分钟；
[0029] 2、空穴阻挡层制备步骤：将清洗干净的FT0导电玻璃基底在400~600°C下加热， 将0. 01~0. 05m〇l/L的钛酸异丙酯异丙醇溶液喷涂在此基底上，加热20~60分钟，形成 约20~100nm厚的致密Ti0 2空穴阻挡层；
[0030] 3、Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料吸光层制备步骤：取50~1000yL权利要求 1所述的Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料旋涂在电子阻挡层上，在70~150°C环境下，加 热10~120分钟，使Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料溶剂挥发形成一层200~lOOOnm的 Sr-Pb二元金属复合妈钛矿材料吸光层；
[0031] 4、空穴传输层制备步骤：分别将P3HT、Spiro-MeOTAD、PTAA、Cul，CuSCN溶液旋涂 在所述的钙钛矿吸光层上，形成50~200nm空穴传输层；
[0032] 5、金属对电极制备步骤：在所述空穴传输层上蒸镀一层厚度为60~150nm长度为 5~10mm宽度为2~10mm的Au或Ag电极，得到固态的Sr-Pb二元金属复合f丐钛矿太阳能 电池。
[0033] 本发明提出第四种将所述Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料用于太阳能电池制备 方法，其特征在于包括如下步骤：
[0034] 1、清洗步骤：将FT0导电玻璃基底放在超声清洗器中，依次用PH = 8~10弱碱性 液体洗洁精、去离子水、无水乙醇、丙酮各清洗5~20分钟；
[0035] 2、电子阻挡层制备：将清洗干净的FT0导电玻璃基底在400~600°C下加热，将 0. 005~0. 05mol/L的乙酰丙酮镍乙腈溶液喷涂在此基底上，加热20~60分钟形成10~ 50nm厚的致密NiO电子阻挡层；
[0036] 3、Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料吸光层制备：取50~1000yL权利要求1所述 的Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料旋涂在电子阻挡层上，在70~150°C环境下，加热10~ 120分钟，使Sr-Pb二元金属复合钙钛矿材料溶剂挥发形成一层200~lOOOnm的Sr-Pb二 元金属复合钙钛矿吸光层；
[0037] 4、电子传输层制备步骤：将PCBM溶液旋涂在所述钙钛矿吸光层上后在70~ 100°C下加热，形成一层50~200nm的电子传输层；
[0038] 5、界面修饰层制备步骤：将BCP、LiF，TiOxS Ca等材料通过旋涂或蒸镀在所述电 子传输层上，形成一层1~20nm界面修饰层；
[0039] 6、金属对电极制备步骤：在界面修饰层上蒸镀一层厚度为60~150nm长度为5~ 10mm宽度为2~10mm的A1或Ag电极，得到固态的Sr-Pb二元金属复合|丐钛矿太阳能电 池。
[0040] 本发明提出第五种将所述Sr-Pb二元金属复合钙钛矿