[发明专利]基于针状焦的钙钛矿太阳能电池背电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用针状焦作为钙钛矿太阳能电池背电极的制备方法。

背景技术

光伏器件通过把太阳光辐射的光能转化成电能，由于期间所产生的能量对环境造成的影响最小而受到人们的广泛关注。尽管由硅和复合半导体制成的固态异质结器件有很高的效率，甚至统治了整个商业市场，但是这些光伏技术由于材料昂贵和制作工艺复杂等缺陷，使之在市场上的进一步发展受到了抑制(Nat.Photon.，2012，6,162–169，Nature，2012，488,304–312，Nat.Photon.，2012，6,133–135，Adv.Mater.，2007，19,1551–1566)。因此，有机电池(Adv.Mater.，2006，18,789–794，Adv.Energy Mater.，2011，1,517–522，Adv.Mater.，2009，21,1434–1449)，无机电池(Adv.Mater.，2012，24,720–723，J.Am.Chem.Soc.，2012，134,2910–2913)，量子点电池和染料敏化太阳能电池(DSSCs)(Nature，1991，353,737–740，Adv.Funct.Mater.，2005，15,1940–1944，Adv.Funct.Mater.，2013，23(26),3344–3352，Mater.Today，2013，16,11–18)等一系列新兴电池由于其制作成本低廉和工艺简单等优势受到人们的广泛关注。但是这些光伏器件的效率始终不能满足需要。有机-无机杂化金属卤化物CH3NH3PbX3因具有与属正交(斜方)晶系的氧化物矿物CaTiO3相同的结构而得名：有机-无机杂化钙钛矿。在过去的三年中，这种材料一直被用作太阳能电池的光敏剂(Nano Lett.，2013，13,1764–1769)，其原因是它有很多的优点：直接带隙、较大的光吸收系数和较高的载流子迁移率(J.Am.Chem.Soc.，2012，134,17396–17399，Chem.Lett.，2012，41,397–399，Science，1999，286,945–947)。目前，应用有机材料(例如Spiro-OMeTAD、PTAA)作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层所形成的太阳能电池最终的能量转化效率通常能达到12～15％(Nat.Photon.，2013，7,486–491，Chem.Commun.，2013，49,7277–7279，Prog.Photovol:Res.Appl.，2012，20,12–20，Energy Environ.Sci.，2013，6,1480–1485，Energy Environ.Sci.，2013，6,1739–1743，Science，2012，338,643–647，J.Am.Chem.Soc.，2009，131,6050–6051)，这种效率已经和商业硅太阳能电池相当。更为重要的是，这些钙钛矿纳米晶体由于本身具有自主装性能故可以通过简单廉价的方法进行合成，这就预示着它完全有潜能去降低能量生产的成本。

然而，这些具有较高效率的光伏设备所使用的背电极仍然是贵金属金或者是银，并且需要在较高的真空条件下将其制备到钙钛矿层上(J.Am.Chem.Soc.，2012，134,17396–17399，Nat.Photon.，2013，7,486–491)。很明显，这种成本高的背电极并不适合商业化的大规模生产。并且，这种真空蒸镀法来制作背电极是一种极其耗能的方法。因此，要寻找廉价丰富的材料来作为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的背电极。

碳材料由于来源广泛，价格低廉，已经被成功应用在染料敏化太阳能电池中(Sol.Energy Mate.Sol.Cells，1996，44,99–117，Carbon53，2013，53,11–18，Electrochim.Acta，2012，69,334–339，Appl.Phys.Lett.，2009，94,103102)。1996年，Kay和首次把碳黑和石墨的复合物应用到液态染料敏化太阳能电池的背电极，并获得了6.7％的能量转换效率(Sol.Energy Mate.Sol.Cells，1996，44,99–117)。这种单机版电池的优点就是不同功能层可以通过简单的丝网印刷技术一层一层的印刷到FTO玻璃上，这对于以后的商业化生产具有积极的推动作用。此外，碳的功函数(-5.0eV)与金(-5.1eV)的功函数非常接近。尽管碳的种种优点表明它可能是代替金作为钙钛矿太阳能电池背电极的最好材料，但是迄今为止，关于这方面的文献报道却少之又少。

发明内容