一种乙醇胺基二维钙钛矿薄膜及其制备方法、应用

本发明属于太阳能电池，涉及一种乙醇胺基二维钙钛矿薄膜及其制备方法、应用。

背景技术：

1、有机-无机杂化钙钛矿由于其独特的光电特性，如载流子迁移率高，电荷-载流子扩散长度长，光吸收系数高和可调带隙等，引起了广泛的关注。经过几年的努力，钙钛矿太阳能电池(pscs)的功率转换效率(pce)达到了创纪录的25.7％。尽管pce显著提高，但三维(3d)钙钛矿通常对水分和氧气的环境稳定性较差，这是pscs潜在商业应用的最大障碍。典型的三维钙钛矿mapbi3和fapbi3(ma＝ch3nh3+，fa＝ch(nh2)2+)在潮湿的环境中会发生不可逆的水解形成pbi2，这将对它们的光电性能产生不利的影响。为了提高钙钛矿太阳能电池的湿度稳定性，研究人员提出各种方法，例如外部封装，卤素或类卤素原子scn-的替代以及界面修饰等。然而，三维钙钛矿太阳能电池的不稳定性仍未从根本上得到解决，研究和探索可用于光伏器件的稳定钙钛矿材料具有十分重要的意义。

2、然而，遵循量子束缚的一般趋势，二维钙钛矿的激子结合能要比三维钙钛矿大得多。如此大的激子结合能使得激子难以通过热活化形成自由载流子。因此，量子和介电约束的强联合效应使得二维钙钛矿中的载流子迁移率比三维钙钛矿低约两个数量级。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有三维钙钛矿太阳能电池湿度稳定性的不足，提供一种乙醇胺基二维钙钛矿薄膜，具有良好的表面形貌且具有较好的湿度稳定性。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种乙醇胺基二维钙钛矿薄膜，其为二维层状结构的(hoch2ch2nh3)2(ch3nh3)n-1pbni3n+1材料，n＝2-6，薄膜厚度优选为100-1000nm。

4、上述乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)以乙醇胺氢碘酸盐(eai)，碘甲胺(mai)，碘化铅(pbi2)为原料，溶解在有机溶剂中，混合均匀后，得到钙钛矿前驱体溶液；

6、(2)将所述钙钛矿前驱体溶液过滤，然后旋涂在干净的衬底上，退火后，得到乙醇胺基二维钙钛矿薄膜。

7、进一步地，所述乙醇胺氢碘酸盐为乙醇胺氢碘酸盐粉晶，其制备方法包括如下步骤：

8、1)在冰水浴的条件下，将氢碘酸溶液滴加到乙醇胺溶液中，搅拌1-6h，得到混合溶液；其中，乙醇胺溶液以醇为溶剂，氢碘酸溶液以水为溶剂；

9、2)将步骤1)所得混合溶液加热至溶剂醇完全挥发，然后转移至冰水浴中，冷却析晶得到红棕色晶体；

10、3)将步骤2)所得红棕色晶体用乙醚清洗并抽滤，干燥，得到乙醇胺氢碘酸盐粉晶。

11、更进一步地，步骤1)中，所述氢碘酸溶液的浓度为35-60wt％；所述乙醇胺溶液的浓度为20-45wt％；氢碘酸溶液和乙醇胺溶液的比例是以摩尔比来计，摩尔比为1:1-1:2。

12、更进一步地，步骤1)中，溶剂醇为乙醇、甲醇、异丙醇等中的一种或几种。

13、更进一步地，步骤2)中，加热采用旋转蒸发仪，加热温度为60-90℃。

14、更进一步地，步骤3)中，干燥采用真空烘箱，温度为40-80℃，时间为6-24h。

15、进一步地，步骤(1)中，原料还包括添加剂。所述添加剂为氯甲胺(macl)，硫氰酸铵(nh4scn)，氯化铵(nh4cl)等中的一种或几种的混合粉末。

16、进一步地，步骤(1)中，所述乙醇胺氢碘酸盐、碘甲胺、碘化铅的摩尔比为2：(n-1)：n，其中n＝2-6；添加剂与乙醇胺氢碘酸盐的摩尔比为x：2，(x＝0-2)。

17、进一步地，步骤(1)中所述有机溶剂为dmf,dmso,dmac,γ-丁内酯等中的一种或几种。

18、进一步地，步骤(1)中，所述乙醇胺基钙钛矿前驱体溶液的浓度为0.1-0.5mol/l，以原料根据的化学反应方程式获得的理论产物在有机溶剂中的摩尔浓度来计。

19、进一步地，步骤(2)中，所述旋涂的参数为：旋涂量为30-40μl/cm2，旋涂转速2000-5000rpm，旋涂时间为20-50s；所述退火的温度为室温至150℃，退火时间为5-60min。

20、进一步地，步骤(2)中，衬底为单纯的导电衬底或者覆有电子传输层的导电衬底。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

22、首先，本发明以结晶性好，结晶度高的乙醇胺氢碘酸盐粉晶和碘甲胺，碘化铅为原料，引入了介电常数高达37.721的乙醇胺作为有机组元构筑本发明所述二维钙钛矿薄膜，还可以添加氯甲胺(macl)等添加剂方法调控薄膜生长结晶过程，从而保证制备的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜结晶度高、表面致密均一，具有较好的表面形貌和较好的湿度稳定性，能优异且稳定，克服了钙钛矿太阳能电池在湿度稳定性方面的问题。再者，该乙醇胺基二维钙钛矿薄膜作为吸光层用于钙钛矿太阳能电池，能够有效提高钙钛矿太阳能电池的湿度稳定性和光电转换效率。

技术特征：

1.一种乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，所述乙醇胺氢碘酸盐为乙醇胺氢碘酸盐粉晶，其制备方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述氢碘酸溶液的浓度为35-60wt％；所述乙醇胺溶液的浓度为20-45wt％；氢碘酸和乙醇胺的摩尔比为1:1-1:2。

4.根据权利要求2所述的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，溶剂醇为乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或几种；步骤2)中，加热采用旋转蒸发仪，加热温度为60-90℃；步骤3)中，干燥采用真空烘箱，温度为40-80℃，时间为6-24h。

5.根据权利要求1所述的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的原料还包括添加剂；所述添加剂为氯甲胺、硫氰酸铵、氯化铵中的一种或几种的混合粉末；步骤(2)中的衬底为导电衬底或者覆有电子传输层的导电衬底。

6.根据权利要求1或5所述的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述乙醇胺氢碘酸盐、碘甲胺、碘化铅的摩尔比为2：(n-1)：n，其中n＝2-6；添加剂与乙醇胺氢碘酸盐的摩尔比为x：2，x＝0-2。

7.根据权利要求1所述的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述有机溶剂为dmf,dmso,dmac,γ-丁内酯中的一种或几种；所述乙醇胺基钙钛矿前驱体溶液的浓度为0.1-0.5mol/l；步骤(2)中，旋涂的转速为2000-5000rpm，旋涂时间为20-50s，退火的温度为室温至140-160℃，退火时间为5-60min。

8.权利要求1所述方法制备的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜，其特征在于，所述乙醇胺基二维钙钛矿薄膜为二维层状结构的(hoch2ch2nh3)2(ch3nh3)n-1pbni3n+1材料，厚度为100-1000nm；其中n＝2-6。

9.一种乙醇胺基二维钙钛矿薄膜，其特征在于，所述薄膜为二维层状结构的(hoch2ch2nh3)2(ch3nh3)n-1pbni3n+1材料，n＝2-6。

10.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，采用权利要求8或9所述的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜作为吸光层。

技术总结
本发明公开了一种乙醇胺基二维钙钛矿薄膜及其制备方法，主要过程如下：首先采用乙醇胺，氢碘酸为原料，通过溶液反应，冷却析晶后得到乙醇胺氢碘酸盐；然后将该氢碘酸盐和碘甲胺，碘化铅和添加剂溶解在有机溶剂中，得到乙醇胺基二维钙钛矿前驱体溶液，将其旋涂到衬底上，60‑150℃退火后形成光滑致密的乙醇胺基二维钙钛矿薄膜。本发明所述二维钙钛矿薄膜具有良好的表面形貌且具有较好的化学稳定性，有望克服钙钛矿太阳能电池在湿度稳定性方面具有的商业化挑战。

技术研发人员：甘小燕,郑若瑾,李克贵,向马玲,代思琦,郭丽玲,刘韩星
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15