CN107180916A - 一种柔性渗透钙钛矿光伏材料 - Google Patents

一种柔性渗透钙钛矿光伏材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，以钛酸正丁酯和氯化钙作为原材料，分别加入稳定剂和分散剂，以无水乙醇与去离子水为溶剂，经氨气曝气反应、加压内循环曝气反应和减压蒸馏得到浓缩液；然后将渗透剂与流平剂加入浓缩液配置成镀膜前驱液，最后喷涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯基板上经密封反应和加温加压反应，得到柔性渗透钙钛矿光伏材料。本发明制备的光伏材料保持了一般钙钛矿结构的光伏材料的光电转化率，其光电转化率可在15%以上。

Description

一种柔性渗透钙钛矿光伏材料
技术领域
本发明属于光伏材料技术领域，具体涉及一种柔性渗透钙钛矿光伏材料。
背景技术
光伏材料是指能够将太阳能转换为电能的材料，主要为能够通过“光生伏特效应”将太阳能转换为电能的半导体材料，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、InP、CdS、CdTe等。其中硅基材料的光电转化率相对较高，但同时其制造成本也较高，而砷化镓等半导体材料原料稀少、制备效率低、稳定性差，在实际应用中受到了较大的限制。
钙钛矿结构的材料于2009年起首次作为光伏材料应用，其原料一般为廉价的铅、卤素、及胺盐，材料的禁带宽度较小，表现出良好的应用前景，其光电转化率从最初的3.8％发展到15.9％仅用了不到5年的时间，已经逐步接近硅基光伏材料的效率，部分学者进一步预言了其光电转化效率将很快超过单晶硅类的光伏材料，达到30％。
现有技术所制备的太阳能电池均为硬质的太阳能电池，而现在的电子设备多朝着小型化、柔性化的趋势发展，因此很多基础材料都朝着柔性化的趋势发展，如挠性板、柔性半导体等的出现与壮大，若希望太阳能电池能应用于柔性设备上，则将其各个部件柔性化是必然的过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，保持了一般钙钛矿结构的光伏材料的光电转化率，其光电转化率可在15％以上。
本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其步骤如下：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中，加入稳定剂与分散剂，超声均匀后得到钛酸醇液；
步骤2，将氯化钙加入至去离子水中，并缓慢加入钛酸醇液中，搅拌均匀后得到钙钛混合液；
步骤3，将钙钛混合液放入反应釜中，通入氨气进行曝气反应2-3h，冷却后得到混合悬浊液；
步骤4，在混合悬浊液进行加压内循环曝气反应2-4h，然后减压蒸馏1-2h，得到浓缩液；
步骤5，将渗透剂与流平剂加入至浓缩液中，超声搅拌均匀后形成镀膜前驱液；
步骤6，将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板进行表面粗糙化处理，然后将镀膜前驱液喷涂在基板表面，放入反应釜中密封反应2-4h，冷却后得到柔性钙钛矿粗片；
步骤7，将镀膜前驱液二次喷涂，然后进行加压加温反应1-3h，冷却后得到柔性钙钛矿光伏材料。
所述步骤1中钛酸正丁酯浓度为0.1-0.3mol/L，所述稳定剂采用乙酰丙酮，所述稳定剂的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的0.02-0.04，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的混合物，所述聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的配比为3:2，所述分散剂的加入量是钛酸正丁酯的2-4％，所述超声频率为1.5-3.5kHz，超声时间为5-10min。该步骤将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中，然后将稳定剂加入，防止水解，达到稳定的目的，分散剂的作用主要能够提供溶液的分散体系，作用至钛酸正丁酯表面。聚乙烯吡咯烷酮作为一种非离子型高分子化合物，在无水乙醇中具有良好的溶解效果，同时提高了乙醇溶液的粘稠性，同时聚乙烯吡咯烷酮具有良好的胶体保护作用，便于二氧化钛粒子的前驱胶体的保护作用；聚阴离子纤维素具有良好的耐热稳定性，在80-100℃之间仍然能够保证其性能，同时也具有良好的光稳定性，保质期比较长。两者相结合，聚乙烯吡咯烷酮保证了胶体结构的保护，聚阴离子纤维素保证胶体的分散效果，保证其均匀分散性，同时保证无水乙醇的粘稠效果。
所述步骤2中的氯化钙浓度为0.2-0.3mol/L，所述氯化钙的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1.01-1.13倍，所述缓慢滴加的速度为10-15mL/min，搅拌速度为1000-1500r/min，该步骤将氯化钙溶液加入至钛酸醇液中，在加入过程中破坏原来的胶体保护体系，形成钛酸与钙离子的结合，采用缓慢滴加的方式能够防止钛酸水解带来的二氧化钛团聚。
所述步骤3中的氨气通入气体为10-15ml/min，曝气反应温度为60-80℃，该步骤采用曝气反应的方式将对于的氯化钙转化为氯化铵，并在曝气反应中，将氯化铵转化为氨气与氯化氢直接排除，减少氯离子对后期镀膜反应的影响，减少氯离子对钙钛矿材料的影响。
所述步骤4的加压内循环曝气反应的温度为80-100℃，压力为10-15MPa，曝气流速为20-25mL/min，减压蒸馏反应的压力为大气压的50-70％，所述减压蒸馏的温度为70-80℃，所述浓缩液的体积是混合悬浊液的30-40％，该步骤采用加压内循环反应的方式将钛酸与钙离子反应形成钙钛矿结构的颗粒，并且在聚乙烯吡咯烷酮和聚阴离子纤维素的作用形成良好的分散性与粒径的均匀效果。
所述步骤5中的渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚，所述流平剂采用聚二甲基硅氧烷，所述渗透剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1-3％，流平剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1-3％，超声频率为10-15kHz，超声时间为30-45min。该步骤采用超生的方式将渗透剂与流平剂加入至浓缩液中并均匀分布在溶液中，超声不仅能够起到较好的分散作用，而且在钙钛矿结构的颗粒表面形成钝化处理。
所述步骤6中的粗糙化处理是采用1mol/L的氢氧化钾涂覆5-10min，然后冲洗干净。
所述步骤6中的喷涂量是10-15mg/cm2，所述密封反应温度为120-150℃，压力为5-9MPa，采用喷涂的方式均匀分布在柔性基材聚对苯二甲酸乙二醇酯上，采用120-150℃的条件下，渗透剂与流平剂能够保证钙钛矿材料均匀分布在基材表面，并且在该压力下缓慢分解，去除有机材料及溶剂，得到柔性结构的钙钛矿材料。
步骤7中的二次喷涂量为0.5-0.8mg/cm2，加温加压反应的压力为2-5MPa，温度为100-110℃；该步骤采用二次喷涂的方式将粗片表面的缝隙填补，得到平整结构，同时在压力与温度作用下，易分解材料完全降解，保证光伏性能。
本方案以钛酸正丁酯和氯化钙作为原材料，分别加入稳定剂和分散剂，以无水乙醇与去离子水为溶剂，经氨气曝气反应、加压内循环曝气反应和减压蒸馏得到浓缩液；然后将渗透剂与流平剂加入浓缩液配置成镀膜前驱液，最后喷涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯基板上经密封反应和加温加压反应，得到柔性渗透钙钛矿光伏材料。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
本发明制备方法简单可行，实践性和通用性强。本发明制备的柔性光伏材料具有良好的应用前景，便于保存，使用方便。本发明制备的光伏材料保持了一般钙钛矿结构的光伏材料的光电转化率，其光电转化率可在15％以上。
具体实施方式
实施例1
一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其步骤如下：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中，加入稳定剂与分散剂，超声均匀后得到钛酸醇液；
步骤2，将氯化钙加入至去离子水中，并缓慢加入钛酸醇液中，搅拌均匀后得到钙钛混合液；
步骤3，将钙钛混合液放入反应釜中，通入氨气进行曝气反应2h，冷却后得到混合悬浊液；
步骤4，在混合悬浊液进行加压内循环曝气反应2h，然后减压蒸馏1h，得到浓缩液；
步骤5，将渗透剂与流平剂加入至浓缩液中，超声搅拌均匀后形成镀膜前驱液；
步骤6，将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板进行表面粗糙化处理，然后将镀膜前驱液喷涂在基板表面，放入反应釜中密封反应2h，冷却后得到柔性钙钛矿粗片；
步骤7，将镀膜前驱液二次喷涂，然后进行加压加温反应1h，冷却后得到柔性钙钛矿光伏材料。
所述步骤1中钛酸正丁酯浓度为0.1mol/L，所述稳定剂采用乙酰丙酮，所述稳定剂的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的0.02，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的混合物，所述聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的配比为3:2，所述分散剂的加入量是钛酸正丁酯的2％，所述超声频率为1.5kHz，超声时间为5min。
所述步骤2中的氯化钙浓度为0.2mol/L，所述氯化钙的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1.01倍，所述缓慢滴加的速度为10mL/min，搅拌速度为1000r/min。
所述步骤3中的氨气通入气体为10ml/min，曝气反应温度为60℃。
述步骤4的加压内循环曝气反应的温度为80℃，压力为10MPa，曝气流速为20mL/min，减压蒸馏反应的压力为大气压的50％，所述减压蒸馏的温度为70℃，所述浓缩液的体积是混合悬浊液的30％。
所述步骤5中的渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚，所述流平剂采用聚二甲基硅氧烷，所述渗透剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1％，流平剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1％，超声频率为10kHz，超声时间为30min。
所述步骤6中的粗糙化处理是采用1mol/L的氢氧化钾涂覆5min，然后冲洗干净。
所述步骤6中的喷涂量是10mg/cm2，所述密封反应温度为120℃，压力为5-9MPa。
步骤7中的二次喷涂量为0.5mg/cm2，加温加压反应的压力为2MPa，温度为100℃。
实施例2
一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其步骤如下：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中，加入稳定剂与分散剂，超声均匀后得到钛酸醇液；
步骤2，将氯化钙加入至去离子水中，并缓慢加入钛酸醇液中，搅拌均匀后得到钙钛混合液；
步骤3，将钙钛混合液放入反应釜中，通入氨气进行曝气反应3h，冷却后得到混合悬浊液；
步骤4，在混合悬浊液进行加压内循环曝气反应4h，然后减压蒸馏2h，得到浓缩液；
步骤5，将渗透剂与流平剂加入至浓缩液中，超声搅拌均匀后形成镀膜前驱液；
步骤6，将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板进行表面粗糙化处理，然后将镀膜前驱液喷涂在基板表面，放入反应釜中密封反应4h，冷却后得到柔性钙钛矿粗片；
步骤7，将镀膜前驱液二次喷涂，然后进行加压加温反应3h，冷却后得到柔性钙钛矿光伏材料。
所述步骤1中钛酸正丁酯浓度为0.3mol/L，所述稳定剂采用乙酰丙酮，所述稳定剂的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的0.04，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的混合物，所述聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的配比为3:2，所述分散剂的加入量是钛酸正丁酯的4％，所述超声频率为3.5kHz，超声时间为10min。
所述步骤2中的氯化钙浓度为0.3mol/L，所述氯化钙的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1.13倍，所述缓慢滴加的速度为15mL/min，搅拌速度为1500r/min。
所述步骤3中的氨气通入气体为15ml/min，曝气反应温度为80℃。
述步骤4的加压内循环曝气反应的温度为100℃，压力为15MPa，曝气流速为25mL/min，减压蒸馏反应的压力为大气压的70％，所述减压蒸馏的温度为80℃，所述浓缩液的体积是混合悬浊液的40％。
所述步骤5中的渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚，所述流平剂采用聚二甲基硅氧烷，所述渗透剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的3％，流平剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的3％，超声频率为15kHz，超声时间为45min。
所述步骤6中的粗糙化处理是采用1mol/L的氢氧化钾涂覆10min，然后冲洗干净。
所述步骤6中的喷涂量是15mg/cm2，所述密封反应温度为150℃，压力为9MPa。
步骤7中的二次喷涂量为0.8mg/cm2，加温加压反应的压力为5MPa，温度为110℃。
实施例3
一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其步骤如下：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中，加入稳定剂与分散剂，超声均匀后得到钛酸醇液；
步骤2，将氯化钙加入至去离子水中，并缓慢加入钛酸醇液中，搅拌均匀后得到钙钛混合液；
步骤3，将钙钛混合液放入反应釜中，通入氨气进行曝气反应2h，冷却后得到混合悬浊液；
步骤4，在混合悬浊液进行加压内循环曝气反应3h，然后减压蒸馏2h，得到浓缩液；
步骤5，将渗透剂与流平剂加入至浓缩液中，超声搅拌均匀后形成镀膜前驱液；
步骤6，将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板进行表面粗糙化处理，然后将镀膜前驱液喷涂在基板表面，放入反应釜中密封反应3h，冷却后得到柔性钙钛矿粗片；
步骤7，将镀膜前驱液二次喷涂，然后进行加压加温反应2h，冷却后得到柔性钙钛矿光伏材料。
所述步骤1中钛酸正丁酯浓度为0.2mol/L，所述稳定剂采用乙酰丙酮，所述稳定剂的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的0.03，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的混合物，所述聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的配比为3:2，所述分散剂的加入量是钛酸正丁酯的3％，所述超声频率为2.5kHz，超声时间为8min。
所述步骤2中的氯化钙浓度为0.2mol/L，所述氯化钙的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1.08倍，所述缓慢滴加的速度为12mL/min，搅拌速度为1200r/min。
所述步骤3中的氨气通入气体为12ml/min，曝气反应温度为70℃。
述步骤4的加压内循环曝气反应的温度为90℃，压力为12MPa，曝气流速为22mL/min，减压蒸馏反应的压力为大气压的60％，所述减压蒸馏的温度为75℃，所述浓缩液的体积是混合悬浊液的35％。
所述步骤5中的渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚，所述流平剂采用聚二甲基硅氧烷，所述渗透剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的2％，流平剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的2％，超声频率为12kHz，超声时间为35min。
所述步骤6中的粗糙化处理是采用1mol/L的氢氧化钾涂覆7min，然后冲洗干净。
所述步骤6中的喷涂量是12mg/cm2，所述密封反应温度为130℃，压力为7MPa。
步骤7中的二次喷涂量为0.6mg/cm2，加温加压反应的压力为3MPa，温度为105℃。
实施例4
一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其步骤如下：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中，加入稳定剂与分散剂，超声均匀后得到钛酸醇液；
步骤2，将氯化钙加入至去离子水中，并缓慢加入钛酸醇液中，搅拌均匀后得到钙钛混合液；
步骤3，将钙钛混合液放入反应釜中，通入氨气进行曝气反应3h，冷却后得到混合悬浊液；
步骤4，在混合悬浊液进行加压内循环曝气反应3h，然后减压蒸馏2h，得到浓缩液；
步骤5，将渗透剂与流平剂加入至浓缩液中，超声搅拌均匀后形成镀膜前驱液；
步骤6，将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板进行表面粗糙化处理，然后将镀膜前驱液喷涂在基板表面，放入反应釜中密封反应3h，冷却后得到柔性钙钛矿粗片；
步骤7，将镀膜前驱液二次喷涂，然后进行加压加温反应2h，冷却后得到柔性钙钛矿光伏材料。
所述步骤1中钛酸正丁酯浓度为0.2mol/L，所述稳定剂采用乙酰丙酮，所述稳定剂的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的0.03，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的混合物，所述聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的配比为3:2，所述分散剂的加入量是钛酸正丁酯的4％，所述超声频率为3.0kHz，超声时间为7min。
所述步骤2中的氯化钙浓度为0.2mol/L，所述氯化钙的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1.11倍，所述缓慢滴加的速度为13mL/min，搅拌速度为1300r/min。
所述步骤3中的氨气通入气体为13ml/min，曝气反应温度为75℃。
述步骤4的加压内循环曝气反应的温度为90℃，压力为13MPa，曝气流速为23mL/min，减压蒸馏反应的压力为大气压的65％，所述减压蒸馏的温度为75℃，所述浓缩液的体积是混合悬浊液的35％。
所述步骤5中的渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚，所述流平剂采用聚二甲基硅氧烷，所述渗透剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的2％，流平剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的2％，超声频率为13kHz，超声时间为40min。
所述步骤6中的粗糙化处理是采用1mol/L的氢氧化钾涂覆8min，然后冲洗干净。
所述步骤6中的喷涂量是13mg/cm2，所述密封反应温度为140℃，压力为6MPa。
步骤7中的二次喷涂量为0.7mg/cm2，加温加压反应的压力为4MPa，温度为108℃。
实施例5 检测方式：
利用实施例制备的材料组装太阳能电池，其光电转化率如下表。
实施例 光电转化率
实施例1 15.2％
实施例2 16.7％
实施例3 19.2％
实施例4 18.1％
以上所述仅为本发明的一实施例，并不限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：其制备步骤如下：
步骤1，将钛酸正丁酯加入至无水乙醇中，加入稳定剂与分散剂，超声均匀后得到钛酸醇液；
步骤2，将氯化钙加入至去离子水中，并缓慢加入钛酸醇液中，搅拌均匀后得到钙钛混合液；
步骤3，将钙钛混合液放入反应釜中，通入氨气进行曝气反应2-3h，冷却后得到混合悬浊液；
步骤4，在混合悬浊液进行加压内循环曝气反应2-4h，然后减压蒸馏1-2h，得到浓缩液；
步骤5，将渗透剂与流平剂加入至浓缩液中，超声搅拌均匀后形成镀膜前驱液；
步骤6，将聚对苯二甲酸乙二醇酯基板进行表面粗糙化处理，然后将镀膜前驱液喷涂在基板表面，放入反应釜中密封反应2-4h，冷却后得到柔性钙钛矿粗片；
步骤7，将镀膜前驱液二次喷涂，然后进行加压加温反应1-3h，冷却后得到柔性钙钛矿光伏材料。
2.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：所述步骤1中钛酸正丁酯浓度为0.1-0.3mol/L，所述稳定剂采用乙酰丙酮，所述稳定剂的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的0.02-0.04，所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的混合物，所述聚乙烯吡咯烷酮与聚阴离子纤维素的配比为3:2，所述分散剂的加入量是钛酸正丁酯的2-4%，所述超声频率为1.5-3.5kHz，超声时间为5-10min。
3.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：所述步骤2中的氯化钙浓度为0.2-0.3mol/L，所述氯化钙的加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1.01-1.13倍，所述缓慢滴加的速度为10-15mL/min，搅拌速度为1000-1500r/min。
4.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：所述步骤3中的氨气通入气体为10-15ml/min，曝气反应温度为60-80℃。
5.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：述步骤4的加压内循环曝气反应的温度为80-100℃，压力为10-15MPa，曝气流速为20-25mL/min，减压蒸馏反应的压力为大气压的50-70%，所述减压蒸馏的温度为70-80℃，所述浓缩液的体积是混合悬浊液的30-40%。
6.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：所述步骤5中的渗透剂采用脂肪醇聚氧乙烯醚，所述流平剂采用聚二甲基硅氧烷，所述渗透剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1-3%，流平剂加入量是钛酸正丁酯摩尔量的1-3%，超声频率为10-15kHz，超声时间为30-45min。
7.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：所述步骤6中的粗糙化处理是采用1mol/L的氢氧化钾涂覆5-10min，然后冲洗干净。
8.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：所述步骤6中的喷涂量是10-15mg/cm2，所述密封反应温度为120-150℃，压力为5-9MPa。
9.根据权利要求 1 所述的一种柔性渗透钙钛矿光伏材料，其特征在于：步骤7中的二次喷涂量为0.5-0.8mg/cm2，加温加压反应的压力为2-5MPa，温度为100-110℃。
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