一種線狀鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于太陽能電池領(lǐng)域，具體為一種線狀太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明專利技術(shù)以一根鈦絲作為電極，利用電化學(xué)沉積法，由軸心向外依次形成二氧化鈦納米管陣列，鈣鈦礦納米晶活性層，最后包裹透明碳納米管柵作為另一個(gè)電極，形成柔性可編織的同軸線狀鈣鈦礦太陽能電池。該線狀鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓、短路電流密度和填充因子分別為0.85?V，16.1?mA?cm?2和0.5，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率為6.8%。該線狀鈣鈦礦太陽能電池使用透明碳納米管柵作為電極，利用電化學(xué)沉積法制備電子傳輸層與光活性層，制備工藝簡(jiǎn)單、成本低，電池具有高的強(qiáng)度和很好的柔韌性。通過傳統(tǒng)的編織技術(shù)，可將該線狀太陽能電池編織成織物或集成到衣服中，可作為便攜的供電裝置應(yīng)用于人們的日常生活中。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于太陽能電池
，具體涉及一種線狀鈣鈦礦（CH3NH3PbI3）太陽能電池及其制備方法。
技術(shù)介紹
近幾年來，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的線狀太陽能電池由于其質(zhì)輕、柔性、可編織、成本低等特點(diǎn)，引起人們的廣泛關(guān)注。截至目前，人們主要集中研究線狀染料敏化太陽能電池和線狀聚合物太陽能電池。染料敏化太陽能電池需要使用電解質(zhì)來將空穴轉(zhuǎn)移到對(duì)電極，目前報(bào)道的線狀太陽能電池主要基于液體電解質(zhì)，存在易泄露、易揮發(fā)、封裝困難等挑戰(zhàn)；基于固態(tài)電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池與聚合物太陽能電池效率均低于4%，嚴(yán)重制約線狀太陽能電池的發(fā)展與應(yīng)用。近年來發(fā)展出一類新型有機(jī)鉛三鹵化物CH3NH3PbI3太陽能電池，在不到5年的時(shí)間里，光電轉(zhuǎn)換效率從最初的約3.8%增加到超過20%。作為對(duì)比，經(jīng)過比較長(zhǎng)期的研究，平面結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽能電池和聚合物太陽能電池目前最高光電轉(zhuǎn)換效率分別為13%和10.6%。基于上述鈣鈦礦材料，有可能獲得高效率的全固態(tài)線狀鈣鈦礦太陽能電池。同時(shí)，使用取向透明碳納米管柵作為透明電極，由于其中碳納米管的有序排列，取向透明碳納米管柵很好地保持了單根碳納米管優(yōu)異的電學(xué)和電化學(xué)性能，從而具有高的電導(dǎo)率、拉伸強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)功能材料和光電器件中。目前的研究結(jié)果表明，取向碳納米管柵可以作為鈣鈦礦太陽能電池中透明電極使用。相比于在線狀太陽能電池中常用的電極材料（如金屬絲和涂有導(dǎo)電層的聚合物纖維），碳納米管柵既可以克服金屬絲柔性較差、質(zhì)量重及包覆面積小的缺陷，也能夠克服涂有導(dǎo)電層的聚合物纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問題。本專利技術(shù)制備一種基于高質(zhì)量、高覆蓋率鈣鈦礦活性材料的的線狀鈣鈦礦CH3NH3PbI3太陽能電池，其中鈦絲作為一個(gè)電極，通過電化學(xué)沉積法獲得二氧化鈦電子傳輸層，然后通過陰極沉積過程制備鈣鈦礦活性層材料，最后包裹透明碳納米管柵作為另一個(gè)電極，形成一種柔性可編織的同軸線狀鈣鈦礦太陽能電池。相比于其他線狀太陽能電池的制備方法，本方法實(shí)現(xiàn)了二氧化鈦與鈣鈦礦的形貌控制，并且成本低，易制備。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)可控、可編織的鈣鈦礦CH3NH3PbI3太陽能電池及其制備方法。本專利技術(shù)所提供的線狀鈣鈦礦CH3NH3PbI3太陽能電池，是基于透明碳納米管柵的柔性的可編織同軸線狀鈣鈦礦太陽能電池，其負(fù)極為鈦絲，作為電鍍電極；另外一個(gè)電極為取向透明碳納米管柵，在外層。兩電極之間夾著電子傳輸層（二氧化鈦）與光活性層（鈣鈦礦CH3NH3PbI3），形成柔性可編織的同軸線狀鈣鈦礦太陽能電池。這種線狀電池具有很好的柔韌性和可編織性能，具有高度的可集成性，整個(gè)器件可被方便地編織成織物或集成到其它織物中。本專利技術(shù)提供上述線狀鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，以一根鈦絲作為電極，利用電化學(xué)沉積法，由軸心向外依次形成二氧化鈦納米管陣列，鈣鈦礦納米晶活性層，最后包裹透明碳納米管柵作為另一個(gè)電極，形成一種柔性可編織的同軸線狀鈣鈦礦太陽能電池。具體步驟為：（1）制備二氧化鈦電子傳輸層將鈦絲作為陽極，鉑電極為陰極，置于含有0.1-0.4M NH4F 的甘油、水（甘油和水的體積比為1:2-3:1）混合溶液中，并在兩端加上10-50 V的電壓；用水沖洗后，將鈦絲在300-550℃下退火30-60min；再將退火后的鈦絲浸入15-40 mM的TiCl4溶液中，在60-90℃下保持20-35 min；之后，將鈦絲置于300-550℃下退火20-50 min；（2）制備鈣鈦礦CH3NH3PbI光活性層將步驟（1）所制備的氧化過的鈦絲作為陰極，鉑電極為陽極，置于含有0.5-3 mM Pb(NO3)2和 0.1-0.3 M H2O2的溶液中，在3-7 mA/cm2的電流密度下通電；將該鈦絲置于150-300℃下退火20-60 min；然后，將其浸入0.05-0.3 M 的HI 溶液中；再置于75-95℃下干燥45-70 min，自然冷卻至室溫；之后，將樣品浸入含有10-70mg/mL CH3NH3I 的異丙醇溶液中，0.5-10min 后取出；再置于75-95℃下處理30 min；（3）制備取向透明碳納米管柵電極采用化學(xué)氣相沉積法，在管式爐中合成可紡絲碳納米管陣列；將可紡絲碳納米管陣列裹覆于經(jīng)步驟（2）、（3）處理的樣品表面，形成電極。本專利技術(shù)中，可紡絲碳納米管陣列可通過化學(xué)氣相沉積法在管式爐中合成，典型的合成方法為，以電子束蒸發(fā)沉積鐵 (1.2 nm)/三氧化二鋁 (3nm）的硅片為催化劑，乙烯作為碳源（流量為90±45 sccm），Ar（400±200 sccm）和H2（30±15 sccm）為載氣，在730-760℃下反應(yīng)。可紡絲陣列的高度通過控制生長(zhǎng)時(shí)間控制在170～350μm。透明碳納米管柵通過刀片從碳納米管陣列中直接連續(xù)拉出，碳納米管柵的厚度可控制在15-40 nm每層。線狀鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能測(cè)試。線狀太陽能電池使用太陽光模擬器(Oriel-Sol3A 94023A equipped with a 450 W Xe lamp and an AM1.5 filter)模擬AM1.5太陽光，光強(qiáng)為100mW/cm2下測(cè)得電池的I-V曲線。在實(shí)施例中，該線狀鈣鈦礦太陽能電池的開路電壓、短路電流密度和填充因子分別為0.85 V，16.1 mA cm-2和0.5，相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率為6.8%。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：鈣鈦礦CH3NH3PbI3具有很高的吸光系數(shù)，電子擴(kuò)散長(zhǎng)度等優(yōu)異性能，使得電池在足夠薄的條件下便能完全吸收入射光，并且能有效的傳輸分離電子空穴對(duì)。在之前的線狀太陽能電池的基礎(chǔ)上，我們對(duì)其制備方法進(jìn)行了改良，通過控制各層的形貌，最終效率達(dá)到了6.8%。電池具有高的強(qiáng)度和很好的柔韌性，其性能不隨入射光角度的變化而變化。通過傳統(tǒng)的編織技術(shù)，可將該線狀太陽能電池編織成織物或集成到衣服中，可作為便攜的供電裝置應(yīng)用于人們的日常生活中。附圖說明圖1 為線狀鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)與制備過程示意圖。圖2 為線狀鈣鈦礦太陽能電池的SEM圖像。可以看到二氧化鈦的管狀結(jié)構(gòu)和鈣鈦礦的密集排列。其中，a,b分別為二氧化鈦納米管陣列的頂部圖與側(cè)面圖；c,d分別為碘化鉛納米片陣列的頂部圖與側(cè)面圖；e,f分別為鈣鈦礦納米晶的頂部圖與側(cè)面圖；g,h分別為取向碳納米管電極的頂部圖與側(cè)面圖。圖3 為不同二氧化鈦管長(zhǎng)度和不同鈣鈦礦層厚度的線狀鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線。其中，a為不同二氧化鈦管長(zhǎng)度的線狀鈣鈦礦太陽能電池電流密度-電壓取線；b為不同鈣鈦礦層厚度的線狀鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線。圖4 為線狀鈣鈦礦太陽能電池的彎曲測(cè)試示意圖以及結(jié)果。其中，a為打結(jié)的線狀鈣鈦礦太陽能電池；b為扭曲的線狀鈣鈦礦太陽能電池；c為線狀鈣鈦礦太陽能電池光伏性能隨著扭曲次數(shù)的變化。圖5 為覆有透明碳納米管柵電極樣品的SEM圖像。具體實(shí)施方式 本專利技術(shù)提供取向碳納米管柵、電化學(xué)沉積制備現(xiàn)狀鈣鈦礦太陽能電池的條件及制備工藝。（1）透明碳納米管柵的制備可紡絲碳納米管陣列通過化學(xué)氣相沉積法在管式爐中合成制備，典型的合成方法為，以電子束蒸發(fā)沉積鐵 (1.2 nm)/三氧化二鋁 (3nm）的硅片為催化劑，乙烯作為碳源（流量為90±45 sccm），Ar（400±200 scc本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種線狀柔性可編織鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，其負(fù)極為鈦絲，作為電鍍電極；另外一個(gè)電極為取向透明碳納米管柵；兩電極之間夾著二氧化鈦電子傳輸層與鈣鈦礦CH3NH3PbI3光活性層，形成柔性可編織的同軸線狀鈣鈦礦太陽能電池。

【技術(shù)特征摘要】
1. 一種線狀柔性可編織鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于，其負(fù)極為鈦絲，作為電鍍電極；另外一個(gè)電極為取向透明碳納米管柵；兩電極之間夾著二氧化鈦電子傳輸層與鈣鈦礦CH3NH3PbI3光活性層，形成柔性可編織的同軸線狀鈣鈦礦太陽能電池。2. 一種如權(quán)利要求1所述的線狀柔性可編織鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于具體步驟為：（1）制備二氧化鈦電子傳輸層將鈦絲作為陽極，鉑電極為陰極，置于含有0.1-0.4M NH4F 的甘油、水混合溶液中，并在兩端加上10-50 V的電壓；用水沖洗后，將鈦絲在300-550 ℃下退火30-60min；再將退火后的鈦絲浸入15-40 mM的TiCl4溶液中，在60-90℃下保持20-35min；之后，將鈦絲置于300-550℃下退火20-50min；（2）制備鈣鈦礦CH3NH3PbI光活性層將步驟（1）所制備的氧化過的鈦絲作為陰極，鉑電極為陽極，置于含有0.5-3mM Pb(NO3)2和 0.1-0.3 M H2O2的溶液中，在3-7mA/cm2的電流密度下通電；將該鈦絲置于150-300℃下...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：彭慧勝，丘龍斌，楊嘉樺，何思斯，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：復(fù)旦大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31