一种全碳基钙钛矿太阳能电池及其制备工艺的制作方法

本发明涉及一种全碳基钙钛矿太阳能电池及其制备工艺，属于太阳能电池技术领域。

背景技术：

随着能源危机、环境污染等问题的日益加剧，人们对新型可再生能源的需求越来越显著。可再生能源包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等，其中太阳能因具有可重复利用、成本低廉、用之不尽等优点而备受关注。对太阳能的利用可以有很多途径，有直接利用太阳光的热能，如常用的太阳能热水器，还有将太阳能先转换为其它能源再进行利用，如太阳能电池是将太阳光的光能转换为电能再进行利用。目前广泛应用的硅太阳能电池由于制作成本较高、生产工艺复杂，其推广应用受到一定限制。近年来，一种基于有机无机复合钙钛矿材料作为吸光材料的全固态钙钛矿太阳能电池引起人们的极大关注，该种钙钛矿太阳能电池光电转换效率已达22.1％，并且制备工艺简单，加工成本低，已经成为光伏领域的重要研究热点。

传统碳基钙钛矿太阳能电池通常使用二氧化钛作为电子传输层，吸附在二氧化钛表面的水氧在光照条件下会被氧化成超氧负离子和氢氧自由基，这些氧化物可以迅速地使钙钛矿层发生分解，使得传统碳基钙钛矿太阳能电池光照稳定性较差。为了提高碳基钙钛矿太阳能电池光照稳定性，选择稳定且高效的电子传输层应用于碳基钙钛矿太阳能电池显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于将富勒烯及其衍生物作为电子传输层应用于碳基钙钛矿太阳能电池以制备全碳基钙钛矿太阳能电池。

一种全碳基钙钛矿太阳能电池，其特征在于，包括依次层叠的衬底、透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层和碳电极，钙钛矿吸光层是由具有钙钛矿结构的光伏材料构成，电子传输层是由富勒烯或其衍生物构成，厚度为5-50nm。

进一步，所述衬底的构成材料包括玻璃或柔性塑料。

进一步，所述的透明电极材料包括铟锡氧化物、氟锡氧化物、铝锌氧化物。

进一步，所述的钙钛矿层由化学通式为abxmy(3-m)型晶体结构的一种或多种材料形成，其中a＝ch3nh3、c4h9nh3、nh2＝chnh2；b＝pb、sn；x,y＝cl、br、i；m为0至3内任意值。

进一步，所述的碳电极为碳纳米管或碳浆料。

进一步，电子传输层的制备使用真空蒸镀系统将富勒烯c60以的速度蒸镀到导电玻璃上或者采用溶液旋涂到导电玻璃。

本发明具有以下有益效果：本发明将富勒烯及其衍生物作为电子传输层应用于碳基钙钛矿太阳能电池以制备全碳基钙钛矿太阳能电池。富勒烯是继金刚石、石墨之后碳的第三种同素异形体。富勒烯独特的三维共轭结构使其具有较好的得电子特性和电子传输性质，是一类重要的电子传输材料。富勒烯表面不含羟基，具有很好的稳定性。同时富勒烯的能级结构与钙钛矿能级比较匹配，钙钛矿与富勒烯之间可以形成高效的电子传输。以富勒烯或其衍生物作为电子传输层，可以有效淬灭ch3nh3pbi3的荧光，说明ch3nh3pbi3和富勒烯之间具有高效的电荷转移现象。同时，碳电极相对于金属电极而言，不易被氧化腐蚀，性质稳定。因此，以富勒烯及其衍生物做为电子传输层制备的全碳基钙钛矿太阳能电池的光稳定性能够大大提高。

附图说明

图1为本发明中实施例1钙钛矿太阳能电池器件的结构示意图。

图2为本发明实施例1制备的钙钛矿太阳能电池的i-v曲线。

图3为不同电子传输层的钙钛矿太阳能电池的空气稳定性测试结果(湿度55％，空气)。

图4为c60作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的光稳定性测试结果(湿度55％，空气)。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、富勒烯作为电子传输层集成的全碳基钙钛矿太阳能电池器件及其性能表征

图1示出了本发明所述富勒烯作为电子传输层集成的全碳基钙钛矿太阳能电池器件结构，包括：透明导电衬底、富勒烯电子传输层、钙钛矿吸光层、碳电极。制备步骤如下：

(1)导电玻璃的清洗：连续两遍使用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗15分钟并紫外臭氧处理20分钟。

(2)富勒烯电子传输层的制备：使用真空蒸镀系统在1×10^-7torr的真空度下将富勒烯c60以的速度蒸镀到导电玻璃上，蒸镀厚度为30nm。

(3)钙钛矿层的制备：将碘甲胺和碘化铅按摩尔比1:1混合溶于dmf和dmso的混合溶剂中，得到浓度为1m的钙钛矿溶液。将钙钛矿旋涂于fto/c60基底上并95℃退火30min形成钙钛矿层。

(4)碳电极的制备：将由炭黑，石墨和环氧树脂等按一定比例配制的碳浆料均匀涂覆在钙钛矿层上面形成碳电极，制得钙钛矿太阳能电池器件。

上述制备的钙钛矿太阳能电池的性能如表1所示(所有测试均在1个太阳下测得，100mw/cm²)。

表1钙钛矿太阳能电池性能

将实施例1中的c60作为电子传输层与旋涂的30nm厚的tio2电子传输层进行对比，在图2和表1中可以看出以c60作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率明显高于以tio2作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池。图3显示了以c60作为电子传输层集成的全碳基钙钛矿太阳能电池的空气稳定性均大大提高。图4显示了以c60作为电子传输层集成的全碳基钙钛矿太阳能电池的光稳定性在100小时内还能保持99％以上。

实施例2、pcbm作为电子传输层集成的全碳基钙钛矿太阳能电池

一种本发明的钙钛矿太阳能电池，与实施例1实施方式及效果基本相同，区别仅在于：电子传输层采用富勒烯衍生物pcbm，将pcbm溶解于氯苯中形成20mg/ml的溶液，采用溶液旋涂的方法旋涂20nm在导电玻璃上形成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，都应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种全碳基钙钛矿太阳能电池及其制备工艺。该钙钛矿太阳能电池结构包括依次层叠的衬底、透明电极、富勒烯或其衍生物、钙钛矿吸光层和碳电极，其中富勒烯或其衍生物做为电子传输层，钙钛矿吸光层是由具有钙钛矿结构的光伏材料构成。制备工艺包括在衬底上依次制备透明电极、富勒烯电子传输层、钙钛矿吸光层和碳电极。本发明的制备工艺操作简单，成本低廉，电池的稳定性高，可实现电池的工业化生产。

技术研发人员：孟祥悦;周军帅;侯杰;陶霞
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2017.04.15
技术公布日：2017.09.12