[发明专利]基于碳对电极的钙钛矿型电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钙钛矿型电池技术，尤其涉及一种基于碳对电极的钙钛矿型电池及其制备方法。

背景技术

以钙钛矿型化合物为吸光材料的薄膜太阳能电池，是继染料敏化、量子点敏化之后的又一基于纳米半导体材料的新型太阳能电池。钙钛矿型化合物（如CH₃NH₃PbI₃）具有独特的光电性能，在液态染敏电池和基于空穴传输材料的固态薄膜电池中均表现出优异的光电转换效率。同时钙钛矿晶体材料也具备良好的电子和空穴传输性能，这为制备钙钛矿型平面异质结太阳能电池提供了基础。钙钛矿型化合物具有合适的能带结构，较好的光吸收性能，能够吸收几乎全部的可见光用于光电转换。同时该材料具有自主装性能，所以合成简易，通过低成本液相法即可实现有效的薄膜沉积。

数十年里，几乎所有的太阳能技术，如晶体硅和碲化镉薄膜都经过了一个缓慢的发展过程。但钙钛矿型太阳能电池从2009年被首次报道以来，不到5年的时间内，光电转换效率从最初的3.8%到如今的15%，实现了一个突飞猛进的发展。当其他技术还在为突破12%不断努力时，钙钛矿型太阳能电池已遥遥领先。主要原因就是钙钛矿型化合物有近乎完美的结晶度，这是砷化镓和晶体硅等顶级太阳能电池材料共有的特征。自然界中多数晶体排列充斥着许多瑕疵，当电荷快速通过晶体陷入瑕疵时，它们通常会放弃额外的能量。制造无瑕疵的晶体通常需要超高的温度，或价值数百万美元的设备。但是钙钛矿型晶体能在80 ℃下被制成，并能从溶液中简单沉淀析出近乎完美的结晶形式。

钙钛矿型电池还有另一个价值很高的特性，即产生电压的效率。例如，在晶体硅太阳能电池中，需要从光子获得至少1.1电子伏(eV)的能量，从而将一个电子反冲出硅原子的束缚，成为自由电子。然后，电子到达电极，再进入电路，它们的电压会降至 0.7eV，仅丧失了0.4eV——这也是晶硅电池在商业上取得成功的原因之一。对于传统的染料敏化太阳能电池（DSSCs）和有机太阳能电池而言，这些损耗约为0.7eV～0.8eV。但是，钙钛矿型的损耗仅有0.4eV，与晶硅电池相当。

近年来，太阳能电池价格不断下降，经过残酷的商业淘沙，大量相关企业纷纷破产。风险投资公司以及科学基金机构，对支持有机太阳能光伏电板和DSSCs等进展缓慢研究的热情逐渐冷却。钙钛矿型太阳能电池的异军突起给研究人员和太阳能电池企业带来了新的希望。这种电池还有许多改进空间，据估计，明年效率能达到20%。专家认为，钙钛矿型太阳能电池还有潜力与硅电池板相结合，制造出效率达30%甚至更高的串联电池。

目前报道的高效率钙钛矿型电池如图1所示，其结构组成从光阳极到光阴极依次为导电玻璃基底1、TiO₂致密层2、TiO₂/Al₂O₃纳米多孔薄膜3、钙钛矿型吸光剂薄膜4、空穴传输材料5、镀Au或镀Ag光阴极6。其原材料成本的大部分来自于空穴传输材料和贵金属Au、Ag。因此，有效地降低生产成本是今后钙钛矿型电池在实现工业化生产过程中，急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有钙钛矿型电池高成本的问题，提出一种基于碳对电极的钙钛矿型电池，该电池原料易得、成本、低廉，易于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于碳对电极的钙钛矿型电池，所述钙钛矿型电池光包括平行、顺次连接的导电玻璃基底、TiO₂致密层、半导体纳米多孔薄膜、钙钛矿型吸光剂薄膜和导电碳薄膜。

进一步地，所述导电玻璃为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。

进一步地，所述TiO₂致密层厚度为20 nm -100 nm，优选为40 nm -60 nm，本发明构成TiO₂致密层的TiO₂粒度为几个纳米。

进一步地，所述半导体纳米多孔薄膜为TiO₂或Al₂O₃纳米多孔薄膜，其厚度为200 nm-1000 nm，优选为400 nm -800 nm，纳米颗粒尺寸为10 nm-25 nm。