[发明专利]一种低成本碳基钙钛矿太阳能电池背电极

说明书

本发明提供了一种低成本碳基钙钛矿太阳能电池制备方法。本发明从一种廉价但性能优异的碳材料出发制备了性能优异且成本低廉的太阳能电池器件，在这种电池中，我们采用溴化N‑己基‑3‑甲基吡啶对钙钛矿层的结晶性进行了调控，背电极采用双层碳结构，第一层为纳米导电炭黑，第二层为针状焦与纳米导电炭黑的复合物。本发明所采用的器件结构摒弃了常规器件中使用的贵金属Ag或Au，另外也无需真空蒸镀，这就解决了成本问题和耗能问题。所制备的器件具有优异的光电性能和稳定性。

技术领域

本发明属于新能源材料与器件技术开发领域，具体涉及一种低成本碳基钙钛矿太阳能电池背电极。

背景技术

近年来，具有ABX₃晶体结构的无机-有机复合钙钛矿材料引起了科学界和产业界的极大关注，这种材料用作新型太阳能电池取得了飞速的发展，这类电池也被命名为钙钛矿太阳能电池(perovskite solar cells，简称PSCs)，PSCs太阳能电池也被Science杂志评为2013年度国际十大科技进展之一。这种有机-无机复合的金属卤化物钙钛矿材料具有许多异常出众的光电特性，例如：(1)消光系数高且带隙宽度合适；(2)具有优良的双极性载流子输运特性；(3)结构简单、成本低且制备工艺简单，易于实现溶液法制备；(4)适合制备柔性器件。这样一种综合性能优异的光电材料能同时高效完成入射光的吸收、光生载流子的激发、输运、分离等多个动力学过程。自2012年以来，PSCs光电性能取得了飞速的进步，能量转换效率由2012年报道的不足10％迅速提升至22.7％(2017年报道)。PSCs的出现对整个太阳能科学与技术行业以及人类经济和社会生活产生巨大的影响，很有可能成为未来主流的光伏技术。目前，PSCs的发展及产业化所面临的最大瓶颈问题是如何进一步提升器件长期稳定。

研究结果表明，影响PSCs稳定性的因素主要有以下两点:一是钙钛矿材料自身的稳定性,主要包括热稳定性及湿度稳定性；二是太阳能器件的稳定性，主要涉及器件结构的设计与优化。从材料角度来看，稳定性主要受制于无机-有机杂化钙钛矿材料的结构稳定性。研究表明,钙钛矿结构在温度或湿度较高的环境下，其晶格易被破坏而导致材料的分解。除此以外，作为将空穴传输层中的电荷收集到外电路的贵金属背电极(通常为金或银)也对稳定性造成了不利影响，其影响机理是金或银通过渗透扩散到钙钛矿层中并于碘离子发生化学反应，从而破坏了钙钛矿本身的结构。并且，金或银背电极需要在较高的真空条件制备，设备和材料成本较高，并不利于商业化的大规模生产。因此，我们需要寻找廉价丰富的材料来取代贵金属制备PSCs背电极。

碳材料种类多样、成本低廉、导电性优异且功函数与这种有机-无机复合金属卤化物钙钛矿材料相匹配。将碳材料用作PSCs背电极目前已经被证实是完全可行的，器件的光电转换效率也超过了15％。更加难能可贵的是，使用碳材料制备的PSCs具有优异的稳定性，长期放置或者工作状态下，其稳定性比常规使用贵金属背电极的器件高出许多。这是由于碳材料自身具有良好的疏水性，能够有效隔绝空气中的水汽，避免了钙钛矿材料的遇水分解问题。但是，目前使用碳材料作为PSCs背电极的工作较少，器件结构复杂且制备过程都需要高温处理，这无形中增加了制备成本并且延长了能量偿还时间。使用廉价碳材料并开发合适的低成本制备工艺具有重要的研究价值。

发明内容

本发明从一种廉价但性能优异的碳材料出发进行PSCs背电极的结构设计及器件制备，所用的碳材料为针状焦及导电炭黑。本发明提供的改善钙钛矿薄膜结晶性方法以及双层碳电极结构有助于提高碳基钙钛矿电池的转换效率。本发明所采用的组装方法包括喷涂等无需高耗能的方式，解决了使用贵金属Au或Ag作为钙钛矿太阳能电池背电极时真空蒸镀所产生的耗能问题。

本发明的一个目的是提供一种钙钛矿太阳能电池用PbI₂薄膜，所述PbI₂薄膜的制备原料中包括溴化N-己基-3-甲基吡啶。