一种橡皮泥状碳电极及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用

本发明属于钙钛矿太阳能电池领域，具体涉及一种橡皮泥状碳电极及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术：

1、钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，具有光电转换效率高、制造工艺简单等优点。但是为了实现其大规模产业化，还需要提高器件稳定性并降低生产成本。使用碳材料顶电极代替真空蒸镀的金属顶电极，可以在保持较高电池性能的同时，提高电池器件稳定性、降低设备和材料成本，对钙钛矿太阳能电池的产业化很有意义。

2、到目前为止，钙钛矿太阳能电池中的碳电极，主要都是利用导电碳浆料(或导电碳油墨)制备的。具体的工艺方法可以分为3类：(1)高温碳浆料法，即先把导电碳浆料涂布到多孔氧化物层上，高温退火后再把钙钛矿吸光材料填充进半导体层/绝缘层/碳层的多孔结构中；(2)低温碳浆料法，即制备完钙钛矿太阳能电池的所有其他功能层之后，再涂布碳浆料并低温烘干；(3)碳膜贴合法，即先把碳浆单独预制成导电碳膜，再通过压力贴合的方法在电池上制备成碳电极。这些工艺方法都已经取得了部分成功。

3、这三类工艺各有优点和不足，其中高温、低温碳浆料法工艺可以保证碳电极与其下层材料的良好电接触、易于放大，但是其中的溶剂和加热相关过程与高性能的钙钛矿吸光层制备工艺、电荷传输层制备工艺并不匹配，目前的电池效率不够高。而碳膜贴合法可以避免溶剂和高温对于电池中其他材料的破坏，电池效率高，但是碳膜由导电碳粉和干燥后的黏合剂组成，受力与下层材料接触时不容易产生塑性变形，撤掉外力之后，碳膜内部的弹力可能会强于碳膜与下层材料之间的结合力，在回弹的过程中与下层材料再次分离，在工艺放大中难以保证电极和下层材料之间的良好电接触。因此，需要针对钙钛矿太阳能电池的实际情况，发展新的碳电极材料及其工艺，以实现大面积、高性能电池器件的制备。

技术实现思路

1、本发明提供了一种橡皮泥状碳电极及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用。该橡皮泥状碳电极具有良好的可塑性，能够在室温、无挥发性溶剂的前提下，与钙钛矿太阳能电池形成良好的电接触；工艺简单易于放大，原料绿色环保、成本低，导电性好，电池性能好，有利于实现钙钛矿太阳能电池的产业化。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、提供一种橡皮泥状碳电极，所述碳电极为橡皮泥状薄片，包括导电碳粉和难挥发液体。

4、按上述方案，所述难挥发液体的成分为非挥发性有机液体或含有高浓度吸湿保湿成分的水溶液。

5、优选地，所述非挥发性有机液体为液体石蜡或硅油中的至少一种。

6、优选地，所述含有高浓度吸湿保湿成分的水溶液中，吸湿保湿成分为多元醇类、糖类或吡咯烷酮羧酸钠中的至少一种；浓度为质量百分数高于40％。

7、按上述方案，所述导电碳粉和难挥发液体的质量比为1:2～2:1。

8、按上述方案，所述橡皮泥状薄片厚度为20-200μm。

9、按上述方案，所述导电碳粉的粒径为0.01μm-10μm。

10、按上述方案，所述导电碳粉为石墨、炭黑、碳纳米管中的至少一种。

11、提供一种制备上述橡皮泥状碳电极的方法，具体包括以下步骤：

12、步骤1.将导电碳粉和难挥发液体充分混合、研磨，得到橡皮泥状碳块；

13、步骤2.将步骤1中所得橡皮泥状碳块转移到薄片模具中，辊压平整后，脱模后得到橡皮泥状碳薄片，即为橡皮泥状碳电极。

14、提供一种上述橡皮泥状碳电极作为顶电极在钙钛矿太阳能电池中应用，具体为：将橡皮泥状碳电极置于钙钛矿太阳能电池的空穴传输层上，施压，使碳电极与空穴传输层紧密贴合。

15、按上述方案，压力方式包括但不限于平压、辊压、真空袋压等。

16、按上述方案，施压条件为：压强为0.05-1mpa，时间为5-60秒。

17、提供一种钙钛矿太阳能电池，上述橡皮泥状碳电极为顶电极。

18、按上述方案，从下到上还依次包括导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层结构；所述橡皮泥状碳电极通过施压贴合在空穴传输层表面。

19、优选地，所述橡皮泥状碳电极通过放置在空穴传输层上，施加压力，与空穴传输层紧密贴合。

20、优选地，施压条件为：压强为0.05-1mpa，时间为5-60秒。

21、优选地，所述电子传输层厚度为10～100纳米；钙钛矿吸光层厚度为100～1000纳米；空穴传输层厚度为50～500纳米。

22、本发明的有益效果为：

23、1.本发明提供一种橡皮泥状碳电极薄片，包括导电碳粉和难挥发液体，在保证导电连续性的同时，因为难挥发液体的存在薄片并非完全干燥，具有显著的可塑性，与钙钛矿太阳能电池可形成良好的电接触，同时避免了大量溶剂直接接触、溶剂挥发接触以及加热过程电池材料的破坏，用于钙钛矿太阳能电池时，通过较小的压强短时间施压即可实现橡皮泥状碳电极薄片与钙钛矿太阳能电池的紧密结合，且即使与大面积电池也同样保证了良好的结合，易于工艺放大，具有广泛的应用前景。

24、2.本发明提供一种钙钛矿太阳能电池，橡皮泥状碳电极薄片作为顶电极，光电转换效率接近与金电极，在保证性能的同时显著降低了成本，具有重要的工业应用价值。

25、3.本发明所得橡皮泥状碳电极薄片原料简单环保，成本低，对碳材料的种类、尺寸要求不高，制备简单，对设备的依赖较小，易于工业化。

技术特征：

1.一种橡皮泥状碳电极，其特征在于，所述碳电极为橡皮泥状薄片，包括导电碳粉和难挥发液体。

2.根据权利要求1所述的橡皮泥状碳电极，其特征在于，所述难挥发液体的成分为非挥发性有机液体或含有高浓度吸湿保湿成分的水溶液。

3.根据权利要求2所述的橡皮泥状碳电极，其特征在于，所述非挥发性有机液体为液体石蜡或硅油中的至少一种；所述含有高浓度吸湿保湿成分的水溶液中，吸湿保湿成分为多元醇类、糖类或吡咯烷酮羧酸钠中的至少一种，浓度为质量百分数高于40％。

4.根据权利要求1所述的橡皮泥状碳电极，其特征在于，所述导电碳粉和难挥发液体的质量比为1:2～2:1。

5.根据权利要求1所述的橡皮泥状碳电极，其特征在于，所述薄片厚度为20-200μm。

6.一种制备权利要求1-5任一项所述的橡皮泥状碳电极的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

7.一种权利要求1-5任一项所述的橡皮泥状碳电极作为顶电极在钙钛矿太阳能电池中应用，其特征在于，具体为：将橡皮泥状碳电极置于钙钛矿太阳能电池的空穴传输层上，施压，使碳电极与空穴传输层紧密贴合。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，施压条件为：压强为0.05-1mpa，时间为5-60秒。

9.一种钙钛矿太阳能电池，其特征在于，权利要求1-5任一项所述的橡皮泥状碳电极为顶电极。

10.根据权利要求9所述的钙钛矿太阳能电池，其特征在于，从下到上还依次包括导电玻璃、电子传输层、钙钛矿吸光层和空穴传输层；所述橡皮泥状碳电极通过施压贴合在空穴传输层表面。

技术总结
本发明公开了一种橡皮泥状碳电极及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用。该碳电极为橡皮泥状薄片，包括导电碳粉和难挥发液体。通过将导电碳粉和难挥发液体混合研磨、辊压平整后脱模制备得到。通过施压方式紧密贴合在钙钛矿太阳能电池的空穴传输层表面。该橡皮泥状碳电极具有良好的可塑性，能够在室温、无挥发性溶剂的前提下，与钙钛矿太阳能电池形成良好的电接触，绿色环保、成本低、导电性好，有利于实现钙钛矿太阳能电池的产业化。

技术研发人员：肖俊彦,朱澳东
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：2024/1/13