一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法技术

本发明专利技术公开了一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法，涉及材料领域，主要在于能够提高材料的稳定性和光电性能；同时通过性能测试结论能够对材料禁带宽度进行线性调控并助力稳定高效光伏材料设计。其中方法包括：立方相(α

【技术实现步骤摘要】
一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法


[0001]本专利技术涉及钙钛矿太阳能电池领域，尤其涉及一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法。

技术介绍

[0002]随着经济发展突飞猛进，全球能源消耗日益正急剧增加，同时造成了自然环境的急剧恶化，已成为目前制约经济发展的重要瓶颈。太阳能作为一种清洁能源得到全世界的广泛研究与应用。如何充分利用太阳能是解决能源危机问题的关键。研发稳定高效太阳能电池是将太阳能转化为电能且可持续发展的重要技术路线，有望从根本上解决人类社会持续发展的能源需求。截至目前，太阳能电池经历了第一代晶硅电池、第二代薄膜电池，再到当前以有机无机杂化甲胺铅碘钙钛矿为代表的第三代新型太阳能电池。2009年，桐荫横滨大学Miyasaka课题组首次报道甲胺铅碘钙钛矿太阳能电池，光电效率仅为3.8％。经过12年发展，甲胺铅碘钙钛矿太阳能电池认证效率已达到25.7％，已逼近商用单晶Si太阳能电池的最高效率27.6％。甲胺铅碘钙钛矿太阳能电池相对于晶硅电池制备工艺简单、成本低廉，而且光电效率仍有提升空间，是近年来最具有应用潜力的太阳能电池之一。但甲胺铅碘钙钛矿材料中的甲胺热稳定较差且容易挥发，并导致甲胺铅碘钙钛矿分解和重金属铅泄露污染。进而，甲胺铅碘钙钛矿太阳能电池效率迅速衰减，是甲胺铅碘钙钛矿太阳能能电池商业推广应用的关键障碍。解决该挑战最有效方法之一是用纯无机钙钛矿替换甲胺铅碘钙钛矿作为太阳能电池的光吸收材料。在众多纯无机钙钛矿材料中，铯锡碘拥有比铅基钙钛矿更小的带隙和更宽的太阳光吸收谱，是目前钙钛矿光伏领域研究热点之一。
[0003]铯锡碘有多种晶系，包括立方相(α)、四方相(β)、斜方相(γ)和黄相(δ)，α相具有最小带隙(1.3eV)，太阳光吸收范围更宽。目前铯锡碘钙钛矿太阳能电池光电转化效率已突破14.8％。但铯锡碘相稳定性较差，尤其在水汽环境中，光学活性较好的黑相易转变生成不具备光学活性的黄相(带隙为2.5eV)，电池无法稳定高效工作。另一方面，铯锡碘钙钛矿中的Sn
2+
容易被氧化成Sn
4+
，进而导致钙钛矿晶体结构崩塌，也将带来光伏器件性能的急剧衰减。因此，得到室温下稳定的α
‑
铯锡碘对无铅钙钛矿太阳能电池的发展至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是通过有机离子基团插层的方法提升铯锡碘相稳定性；本专利技术提出了一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法，选择疏水有机离子基团插层，将三维的α
‑
CsSnI3钙钛矿，转变成二维或准二维的铯锡碘钙钛矿，显著提高α
‑
CsSnI3钙钛矿相稳定性的同时，可协同优化其电子结构以及线性调控禁带宽度。
[0005]本专利技术的一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法，在三维钙钛矿中周期性插入+2价阳离子噻吩二甲基铵即PeDA
2+
离子层将三维钙钛矿转变成周期性二维层状晶体，有机基团两尾端+1价铵根通过离子键与上下无机层I
‑
阴离子结合。所述周
期性采用SnI6八面体层数n表示，n为正整数。
[0006]本专利技术的一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法,具体包括如下步骤：
[0007]步骤1，构建α
‑
CsSnI3晶体的元胞，基于密度泛函理论对其晶格常数以及原子位置进行驰豫优化，寻找基态结构；
[0008]步骤2，基于上述元胞，通过周期性扩展构建2
×2×
1的α
‑
CsSnI3超胞，然后沿着(100)面切出slab模型，所述slab模型是指n层SnI2无机八面体构成的片层结构；继而于相邻slab模型界面间构建真空层并植入PeDA
2+
基团；
[0009]步骤3，插入的PeDA
2+
基团两端铵根离子替换真空层上下两侧表面上的Cs
+
离子，形成准二维(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿晶体结构原始结构。
[0010]步骤4，基于第一性原理优化准二维(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿模型的晶格常数和原子位置，得到最稳定晶体结构。
[0011]结果表明，相对于α
‑
CsSnI3,n＝1～4时，稳定性明显提升，尤其是n＝1情况下稳定性增强最为显著。
[0012]准二维(PEDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿通过调控SnI6八面体层数n实现对能带结构的精确调控，n值越大，禁带宽度越小；准二维(PEDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿的禁带宽度与1/n成正相关。
[0013]本专利技术还提供了一种准二维(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿的制备方法，包括如下步骤：
[0014]步骤1，配制α
‑
CsSnI3钙钛矿结构的前驱体溶液；
[0015]根据(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
中的有机分子PeDA+Cs和Sn的摩尔比,取1/n mmol 的乙二胺氢碘酸盐PeDAI2、(n
‑
1)/n mmol的CsI和n mmol的SnI2，溶解在二甲基甲酰胺DMF有机溶液中，搅拌至完全溶解；
[0016]步骤2，在预热的导电玻璃FTO基片上，控制转速旋涂α
‑
CsSnI3钙钛矿的前驱体溶液，然后将基片放在加热板上退火，基片变为黑色，得到准二维 (PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿。
[0017]步骤2具体为：在50
‑
80℃预热的导电玻璃FTO上，以3000
‑
6000rpm的转速旋涂α
‑
CsSnI3钙钛矿的前驱体溶液20
‑
45s，然后将基片放在加热板上退火3
‑
8 分钟，基片变为黑色，便得到准二维(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿。
[0018]本专利技术还提供了一种太阳能电池，包括准二维(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿，作为太阳能电池的吸收层材料。
[0019]有益效果:本专利技术中PeDA
2+
层的插入大大提升了α
‑
CsSnI3钙钛矿的稳定性；通过对准二维(PeDA)Cs
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法，其特征在于，在三维钙钛矿中周期性插入+2价阳离子噻吩二甲基铵，PeDA
2+
离子层将三维钙钛矿转变成周期性二维层状晶体，有机基团两尾端+1价铵根通过离子键与上下无机层I
‑
阴离子结合。2.根据权利要求1所述一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法，其特征在于，所述周期性采用SnI6八面体层数n表示，n为正整数。3.根据权利要求2所述一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1，构建α
‑
CsSnI3晶体的元胞，基于密度泛函理论对其晶格常数以及原子位置进行驰豫优化，寻找基态结构；步骤2，基于上述元胞，通过周期性扩展构建2
×2×
1的α
‑
CsSnI3超胞，然后沿着(100)面切出slab模型，所述slab模型是指n层SnI2无机八面体构成的片层结构；继而在相邻slab界面间构建真空层并插入PeDA
2+
基团；步骤3，插入的PeDA
2+
基团两端铵根替换占据真空层上下两侧表面上的Cs
+
离子，形成准二维(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿晶体结构原始结构。4.根据权利要求3所述一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法,其特征在于，具体还包括如下步骤：步骤4，基于第一性原理优化准二维(PeDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿模型的晶格常数和原子位置，得到最稳定晶体结构。5.根据权利要求3或4所述一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法,其特征在于，其中，n＝1～4。6.根据权利要求3所述一种提高立方铯锡碘钙钛矿相稳定性的有机离子基团插层方法,其特征在于，准二维(PEDA)Cs
n
‑1Sn
n
I
3n+1
钙钛矿通过调控S...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚明辉，孙倩，方志，郑亚鹏，杨祚宝，郑金桔，杨为佑，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：