A/M/X晶体材料、光伏器件及其制备方法与流程

本技术涉及光伏，尤其涉及一种a/m/x晶体材料、光伏器件及其制备方法。

背景技术：

1、钙钛矿光伏器件是以光活性钙钛矿结构材料为光活性晶体材料层进行光电转换的一种光伏器件。

2、典型的光活性钙钛矿结构材料为有机金属卤化物，其具有通式amx3，一般为八面体或立方体结构。在典型的钙钛矿晶体中，a离子处于立方晶胞的中心位置，被12个x离子标为得到配位立芳八面体，形成三维的周期性结构；m离子位于立方晶胞的角顶，周围分布6个x离子配位成八面体对称结构。

3、光活性钙钛矿结构材料在光的辐射下，形成两种载流子，即电子和空穴，通过两个电极分别收集电子和空穴，即获得光生电流。钙钛矿结构的性质是影响光伏器件的能量转换效率（pce）的关键因素。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种能量转换效率更高的光伏器件。

2、本技术第一方面提供一种光伏器件，包括光活性晶体材料层，所述光活性晶体材料层包括第一区域；

3、在所述第一区域，所述光活性晶体材料层包括贯穿晶粒，所述贯穿晶粒为贯穿所述光活性晶体材料层的晶粒，所述贯穿晶粒的数量占所述光活性晶体材料层的总晶粒数量的百分比p≥80%，可选地，p≥90%；且

4、在所述第一区域，所述光活性晶体材料层包括背光侧和背光晶粒，所述背光晶粒为至少一个面暴露于所述背光侧的晶粒，所述背光晶粒的暴露于所述背光侧的面为背光晶面；

5、其中，所述背光侧具有平均平坦系数ravg，ravg≤75，可选地10≤ravg≤70；

6、其中，所述背光侧的ravg通过下式计算：

7、；

8、其中，ri为所述第一区域内第i个背光晶粒的平坦系数，ri通过下式计算：

9、ri=di/hi

10、其中，di为所述第一区域内第i个背光晶粒的背光晶面的宽度；

11、其中，hi为所述第一区域内第i个背光晶粒的背光晶面的凸起高度；

12、其中，n为所述第一区域内全部背光晶粒的数量。

13、基于上述方案的光伏器件具有提高的能量转换效率。

14、在一些实施方式中，所述光活性晶体材料层包括a/m/x晶体材料，所述a/m/x晶体材料具有以下通式：

15、[a]a[m]b[x]c

16、[m]包括一种或多种第一阳离子，所述第一阳离子包括金属离子、准金属离子、或其组合；

17、[a]包括一种或多种第二阳离子；

18、[x]包括一种或多种卤素阴离子；

19、a为1至6，可选地，a为1、2、3、4、5或6；

20、b为1至6，可选地，b为1、2、3、4、5或6；

21、c为1至18，可选地，c为3、6、9、或18。

22、基于上述方案的光伏器件具有提高的能量转换效率。

23、在一些实施方式中，所述一种或多种第一阳离子选自ca2+、sr2+、cd2+、cu2+、ni2+、mn2+、fe2+、co2+、pd2+、ge2+、sn2+、pb2+、yb2+、eu2+、bi3+、sb3+、pd4+、w4+、re4+、os4+、ir4+、pt4+、sn4+、pb4+、ge4+或te4+。

24、可选地，所述一种或多种第一阳离子选自cu2+、pb2+、ge2+或sn2+；

25、(2) 所述一种或多种第二阳离子选自cs+、(nr1r2r3r4)+、(r1r2n=cr3r4)+、(r1r2n-c(r5)=nr3r4)+或(r1r2n-c(nr5r6)=r3r4)+，其中，r1, r2, r3, r4, r5和r6各自独立地选自h、取代或非取代的c1-20烷基或取代或非取代的芳基；

26、可选地，所述一种或多种第二阳离子选自cs+、(ch3nh3)+、(h2n-c(h)=nh2)+

27、(3) 所述卤素阴离子选自cl-、br-或i-。

28、基于上述方案的光伏器件具有提高的能量转换效率。

29、在一些实施方式中，所述a/m/x晶体材料包括fapbi3、fapbbr3、fapbcl3、fapbf3、fapbbrxi3-x、fapbbrxcl3-x、fapbixbr3-x、fapbixcl3-x、fapbclxbr3-x、fapbi3-xclx、cspbi3、cspbbr3、cspbcl3、cspbf3、cspbbrxi3-x、cspbbrxcl3-x、cspbixbr3-x、cspbixcl3-x、cspbclxbr3-x、cspbi3-xclx、fa1-ycsypbi3、fa1-ycsypbbr3、fa1-ycsypbcl3、fa1-ycsypbf3、fa1-ycsypbbrxi3-x、fa1-ycsypbbrxcl3-x、fa1-ycsypbixbr3-x、fa1-ycsypbixcl3-x、fa1-ycsypbclxbr3-x、fa1-ycsypbi3-xclx、或其组合；

30、其中，x=0-3，y=0.01-0.25。

31、基于上述方案的光伏器件具有提高的能量转换效率。

32、在一些实施方式中，所述a/m/x晶体材料包括fapbi3、cspbi3、fa1-ycsypbi3、或其组合，其中，y=0.01-0.25。

33、基于上述方案的光伏器件具有提高的能量转换效率。

34、在一些实施方式中，所述光活性晶体材料层的厚度为100nm以上，可选为100nm-1000nm，可选为300nm-700nm。

35、基于上述方案的光伏器件具有提高的能量转换效率。

36、在一些实施方式中，光伏器件还包括第一电荷传输层和第二电荷传输层，所述光活性晶体材料层位于所述第一电荷传输层和第二电荷传输层之间；

37、所述第一电荷传输层和第二电荷传输层分别为电子传输层和所述空穴传输层，或者

38、所述第一电荷传输层和第二电荷传输层分别为空穴传输层和电子传输层。

39、在一些实施方式中，光伏器件还包括第一电极和第二电极，所述电子传输层、空穴传输层和光活性晶体材料层位于所述第一电极和第二电极之间；

40、可选地，所述第一电极包括透明导电氧化物；

41、可选地，所述第二电极包括金属。

42、基于上述方案的光伏器件具有提高的能量转换效率。

43、本技术第二方面提供一种制备a/m/x晶体材料的方法，所述a/m/x晶体材料具有以下通式：

44、[a]a[m]b[x]c

45、[m]包括一种或多种第一阳离子，所述第一阳离子包括金属离子、准金属离子、或其组合；

46、[a]包括一种或多种第二阳离子；

47、[x] 包括一种或多种卤素阴离子；

48、a为1 至 6，例如a=1；

49、b为1至6，例如b=1；

50、c为 1 至 18，例如c=3；

51、所述方法包括在基体上设置前体组合物，所述前体组合物包含以下组分：

52、(a) 至少一种前体化合物；

53、(b) 溶剂；

54、(c) 表面活性剂；以及

55、(d) 氨基类化合物。

56、基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

57、在一些实施方式中，所述表面活性剂包括两性表面活性剂。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

58、在一些实施方式中，所述氨基化合物包括：腈胺类化合物、氨基酸类化合物（例如氨基磺酸类化合物）、肼类化合物、脲类化合物（例如尿素、脲醛、缩二脲、缩三脲）、胍类化合物、或其盐或水合物。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

59、在一些实施方式中，所述表面活性剂包括十二烷基氨基丙酸盐、十二烷基乙氧基磺基甜菜碱、十二烷基二甲基羟丙基磺基甜菜碱、两性离子聚丙烯酰胺、十八烷基二羟乙基氧化胺、十四烷基二羟乙基氧化胺、月桂酰胺丙基氧化胺、十二烷基甜菜碱、l-α-磷酸脂胆碱、3-(n,n-二甲基十四烷基铵)丙烷磺酸盐、十二烷基苯磺酸盐、或其组合。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

60、在一些实施方式中，所述氨基化合物包括：脲醛（c3h8n2o3）、异丁叉二脲（c6h14n4o2）、肼（h4n2）、胍（ch3n3o）、腈胺（ch2n2）、氨基磺酸（h3no3s）、或其组合。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

61、在一些实施方式中，所述前体组合物包括第一溶剂和第二溶剂，所述第一溶剂的沸点为40°c-165°c；所述第二溶剂的沸点为170°c-250°c。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

62、在一些实施方式中，所述第一溶剂选自n，n-二甲基甲酰胺（dmf）、2-甲氧基乙醇、乙腈（acn）中的一种或多种。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

63、在一些实施方式中，所述第二溶剂选自二甲基亚砜（dmso）、n-甲基吡咯烷酮（nmp）、二苯亚砜（dpso）中的一种或多种。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

64、在一些实施方式中，所述第一溶剂与第二溶剂的体积比为(4-10): 1。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

65、在一些实施方式中，所述前体组合物包括：

66、第一前体化合物，所述第一前体化合物含有第一阳离子；以及

67、第二前体化合物，所述第二前体化合物含有第二阳离子。

68、基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

69、在一些实施方式中，所述第一前体化合物含有卤素阴离子。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

70、在一些实施方式中，所述第二前体化合物含有卤素阴离子。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

71、在一些实施方式中，所述第一化合物包括碘化铅（pbi2）、溴化铅（pbbr2）、或其组合；

72、在一些实施方式中，所述第二化合物包括甲脒氢碘酸盐（fai）、甲脒氢溴酸盐（fabr）、碘化铯（csi）、溴化铯（csbr）、或其组合。

73、基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

74、在一些实施方式中，制备a/m/x晶体材料的方法还包括对设置在基体表面的前体组合物实施固化处理的步骤；

75、可选地，所述固化处理包括：真空处理、风刀处理（air blading）、红外光处理或其组合。基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

76、在一些实施方式中，制备a/m/x晶体材料的方法还包括对固化处理的产物进行退火处理；

77、可选地，所述退火处理的温度为100°c -170°c；

78、可选地，所述退火处理的时间为5 min-60min。

79、基于上述方案制备的a/m/x晶体材料用于光伏器件，光伏器件表现出提高的能量转换效率。

80、本技术第三方面提供一种制备光伏器件的方法，所述光伏器件包括第一电极和第二电极，位于所述第一电极和第二电极之间的第一电荷传输层和第二电荷传输层，以及位于所述第一电荷传输层和第二电荷传输层之间的a/m/x晶体材料层；

81、所述方法包括：

82、提供表面设置有第一电荷传输层的第一电极；

83、按照上述任一项所述的制备a/m/x晶体材料的方法，在所述第一电荷传输层的表面形成所述a/m/x晶体材料层；

84、在所述a/m/x晶体材料层上形成第二电荷传输层；

85、在所述第二电荷传输层上形成第二电极；

86、其中，所述第一电荷传输层和第二电荷传输层分别为电子传输层和所述空穴传输层，或者

87、所述第一电荷传输层和第二电荷传输层分别为空穴传输层和电子传输层。

88、基于上述方案制备的光伏器件具有提高的能量转换效率。

89、有益效果

90、本技术一项或多项技术方案表现出以下一项或多项有益效果：

91、（1）光伏器件表现出显著增强的能力转换效率(power conversion efficiency，pce)；

92、（2）光活性晶体材料层具有较高的贯穿晶粒占比p；

93、（3）光活性晶体材料层具有较低的平均平坦系数ravg；

94、（4）表面活性剂和含氮化合物在制备光活性晶体材料层的方法中发挥了预料不到的协同增效作用；

95、（5）制备方法成本低、效率高、容易规模化。