一种碳对电极及制备方法及钙钛矿太阳能电池的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种碳对电极及制备方法，还涉及使用该 碳对电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法。
【背景技术】
[0002] 钙钛矿太阳能电池由于其成本低廉、制备工艺简单、光电转化效率较高而受到科 研以及产业界的广泛关注。钙钛矿太阳能电池自发展以来已取得较大进展，至今其最高光 电转换效率已超过20%。
[0003] 对电极作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，其性能好坏直接影响到电池的光 电转换效率。对电极的主要作用是传导外电路中的空穴，并组成回路，有效地减少电子与空 穴的复合，提尚空穴的传输效率，同时也可提尚钙钦矿太阳能电池对光的利用率。
[0004] 传统的对电极是金、银等贵金属对电极。虽然金、银等贵金属对电极传导空穴效果 很好，但是此类贵金属材料十分昂贵，再加上其制备需要高温或真空等严格的工艺条件以 及相应的加工设备，因此工艺复杂、成本高、限制了其大规模的应用。由此，急需发展制备简 单、价格低廉的对电极材料，以替代金、银等贵金属材料来推进钙钛矿太阳能电池的广泛应 用。
[0005] 碳材料具有尚的电导率、耐热性、耐腐蚀性和稳定性，而且价格低廉、易于制备，因 此它被认为是取代贵金属对电极的最佳材料。但是若用单纯的炭黑或石墨对电极，其导电 性能较差，将该对电极用于钙钛矿太阳能电池中，光电转换效率也比较低。近年来，通过将 不同的碳材料混合来制备对电极，以改善其光电转换效率的研究也越来越多，可参考申请 号为201510295741.1的中国发明专利公开《一种钙钛矿太阳能电池用导电碳浆、碳对电极、 电池及制备方法》，其中虽然公开了将炭黑和石墨的混合物作为导电碳材料、并与粘结剂和 有机溶剂混合，采用丝网印刷方式将导电碳浆制备获得碳对电极。但是，由于该碳浆料非常 粘稠，并且其所用的有机溶剂会对钙钛矿太阳能电池造成破坏，因此，在应用到钙钛矿太阳 能电池中时，需要首先在导电基底上生成二氧化钛致密层、二氧化钛多孔层及碳对电极，然 后经过高温处理使有机溶剂挥发，再在碳对电极上生成钙钛矿吸光层。如此一来，制备工艺 复杂，并且需要控制温度在450~500°C左右高温，使得钙钛矿太阳能电池在大规模的产业 化推广应用上遇到阻碍。因此，需要对钙钛矿太阳能电池碳对电极作进一步的改进，以使其 适合工业生产及应用。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种碳对电极及制备方法及钙 钛矿太阳能电池的制备方法，使用该碳对电极的钙钛矿太阳能电池的制备过程中不需要经 过高温加工，制作工艺简单，适合大规模生产，可获得较高的光电转换效率。
[0007] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种碳对电极，包括如下组分:炭 黑、石墨、乙基纤维素及有机溶剂，所述的炭黑和石墨总重量为有机溶剂重量的10%~20%;所 述的乙基纤维素重量为炭黑和石墨总重量的10~25%;所述的有机溶剂由异丙醇和γ -丁内 酯按质量比10:1~10:3混合而成。
[0008] 在一些实施方式中，炭黑+石墨：乙基纤维素:有机溶剂=2:0.2:12。
[0009] 在一些实施方式中，所述的炭黑重量占炭黑和石墨总重量的百分比为15%~35%。
[0010] -种上述的碳对电极的制备方法，包括以下步骤： ① 按重量比称取炭黑、石墨、乙基纤维素、异丙醇及γ-丁内酯，将γ-丁内酯与异丙醇 混合配成混合液，将炭黑和石墨溶于混合液中搅拌溶解以制得碳材料混合液； ② 先将乙基纤维素用异丙醇溶解，然后加入到步骤①得到的碳材料混合液中，制成高 分子纳米粒子混合液； ③ 将步骤②所得的高分子纳米粒子混合液在25~27°C下搅拌0.5~2小时至混合均匀； ④ 待搅拌均匀后，将步骤③得到的混合物倒入球磨罐中，持续球磨至混合均匀，得到碳 对电极。
[0011] -种使用上述的碳对电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤： ① 预处理:依次在导电基底上生成二氧化钛致密层、二氧化钛多孔层及钙钛矿吸光层， 然后放在干燥的空气中； ② 组装:在步骤①上按照刮涂工艺指标刮涂碳对电极，然后放在在加热板上加热到50~ 70°C并保温25~35min，即可组装成钙钛矿太阳能电池。
[0012] 所述的导电基底为导电玻璃或金属基底或掺杂氟的Sn02透明导电玻璃。
[0013] 与现有技术相比，本发明的优点在于：（1)以炭黑和石墨组成的碳对电极在材料的 选择、设计及合成上具有灵活性，并且制备工艺相对比较简单，其组装而成的钙钛矿太阳能 电池可获得较高的光电转换效率。
[0014] (2)由异丙醇和γ-丁内酯混合而成的有机溶剂不会对钙钛矿吸光层造成损坏， γ -丁内酯是无毒透明的油状液体，由于γ -丁内酯分子结构的特点，其反应性能好，液体的 电导率高，稳定性好，因此制得的对电极导电性能好。
[0015] (3)使用本发明制得的炭黑和石墨低温碳对电极的钙钛矿太阳能电池在制备工艺 中，制作简单，并且由于选用的有机溶剂不会损坏钙钛矿吸光层，因此可以直接在钙钛矿吸 光层上覆涂对电极层，不需要高温处理，仅需要50~70°C的相对低温，适合大面积生产和大 规模应用，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供可能。
【具体实施方式】
[0016] 以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
[0017] 实施例1:炭黑重量占炭黑和石墨总重量的15% 分别称取〇.3g的炭黑和1.7g的石墨（炭黑占碳材料总重量的质量分数为15%)，在常温 下混合于12g质量比为10 :1的异丙醇和γ -丁内酯的有机溶剂中，持续搅拌至溶解完全。然 后取〇.2g乙基纤维素并配成质量分数为10%的乙基纤维素的异丙醇溶液并进行溶解，其中 异丙醇的质量已包含在有机溶剂中，继续搅拌使其混合均匀。乙基纤维素作为粘连剂，使碳 材料形成紧密排列的片状结构。将两种溶液混合，并在常温下搅拌1小时至共混均匀。
[0018] 待搅拌均匀后，将得到的混合物倒入球磨罐中，持续球磨至混合均匀，得到钙钛矿 太阳能电池碳对电极。
[0019]使用合成的碳对电极的钙钛矿太阳能电池的制备:首先依次在导电基底上生成二 氧化钛致密层、二氧化钛多孔层及钙钛矿吸光层，放在干燥的空气中，然后在钙钛矿吸光层 上刮涂5μηι厚的碳对电极，并放在在加热板上加热到70°C并保温30min，即可组装成|丐钛矿 太阳能电池。
[0020] 在室温环境，使用氣灯模拟太阳光，光强为95.53mW/cm2 (光强:使用娃光电二极管 标定)条件下，测得本实施例的碳对电极钙钛矿太阳能电池(有效光照面积为0.07cm2)的短 路电流为16.20mA/cm 2，比未加入炭黑的石墨对电极|丐钛矿太阳能电池短路电流(8.25mA/ cm2)提高了7.95 mA/cm2;本实施例的碳对电极钙钛矿太阳能电池的开路电压为0.87V，与未 加入炭黑的石墨对电极钙钛矿太阳能电池开路电压(0.86V)基本保持一致;本实施例的碳 对电极钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为5.73%，比未加入炭黑的石墨对电极钙钛矿太 阳能电池效率(3.10%)提高了约84.8%。
[0021 ]实施例2:炭黑重量占炭黑和石墨总重量的百分比为25% 分别称取〇.5g的炭黑和1.5g的石墨（炭黑占碳材料总重量的质量分数为25%)，在常温 下混合于12g质量比为10:1的异丙醇和γ -丁内酯的有机溶剂中，持续搅拌至溶解完全。然 后取〇.2g乙基纤维素并配成质量分数为10%的乙基纤维素的异丙醇溶液并进行溶解，其中 异丙醇的质量已包含在有机溶剂中，继续搅拌使其混合均匀。乙基纤