CN107256926A - 太阳能及离子储能两用电池器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了太阳能及离子储能两用电池器件及其制备方法，器件结构依次包括：透明导电衬底、PEDOT:PSS层、钙钛矿层、有机空穴传输层、三氧化钼层、金属导电层，此器件可以在光照条件下通过光电作用将光转化成电；在此过程中由于钙钛矿材料内部离子(尤其是卤素离子)的运动，使得器件的阴阳极两端实现正负电荷的积累，在去除光照情况下，离子会向内部运动，产生正负电荷的复合，进而在此过程中产生电流。本发明的方法包括：以钙钛矿材料为基础制备的全天候电池的结构，器件制备工艺，器件的应用。本发明技术方案在单一器件内实现太阳能电池和离子电池两种功能器件的功能，进而获得全天候发电的功能。

Description

太阳能及离子储能两用电池器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及太阳能及离子储能两用电池器件及其制备方法。
背景技术
钙钛矿太阳能电池作为太阳能电池中的新星获得了越来越多的研究和重视，器件效率达到22％左右，这得益于钙钛矿材料优良的光电性能和研究人员对于器件结构的优化和创新。
钙钛矿材料的一大本质特征是钙钛矿材料内部离子在外界条件如光照和电场作用下发生迁移运动。钙钛矿内部离子的运动会在钙钛矿薄膜层两端形成正负离子的汇集，进而在器件中形成一定的电势差，这个电势差会在外部偏压和光照消失时驱动汇集的离子向钙钛矿材料内部运动，形成电流；这就为离子电池的产生创造了条件。因此通过对于器件结构的设计，本发明获得了即可作为太阳能电池又可作为离子电池应用的全天候电池器件。
目前已有将钙钛矿材料用于太阳能电池的相关研究，但是太阳能电池在无光照条件下无法工作，不能够全天候工作，而将钙钛矿材料用于制备离子电池尚没有研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种兼具太阳能电池、离子储能电池功能的电池器件及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件，包括透明导电衬底，所述透明导电衬底上依次设有PEDOT:PSS层、钙钛矿层、有机空穴传输层、三氧化钼层、金属导电层，所述太阳能及离子储能两用电池器件既可以用作太阳能电池，将光能转化为电能，也可以用作离子电池，通过对所述太阳能及离子储能两用电池器件进行充电和放电来储存和利用电能，所述太阳能及离子储能两用电池器件具有全天候工作的能力。
在一些优选的实施方式中，所述钙钛矿层中含有CH3NH3PbAxB3-x型晶体结构的材料，其中A为Cl、Br或I，B为Cl、Br或I，x为0、1、2或3。
在一些优选的实施方式中，所述有机空穴传输层中含有有机共轭聚合物空穴传输材料，所述有机共轭聚合物空穴传输材料为P3HT或PDPPDP。
在一些优选的实施方式中，所述透明导电衬底包括导电层，所述导电层为ITO、FTO或AZO。
在一些优选的实施方式中，所述金属导电层为铝层。
此外，本发明还提供了一种如上所述的兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件的制备方法，所述钙钛矿层是通过制备钙钛矿溶液，然后将所述钙钛矿溶液涂覆到所述PEDOT:PSS层上干燥得到的。
在一些优选的实施方式中，所述PEDOT:PSS层是通过制备PEDOT:PSS溶液，然后将所述PEDOT:PSS溶液涂覆到所述透明导电衬底上干燥得到的。
在一些优选的实施方式中，所述有机空穴传输层是通过制备有机空穴传输材料溶液，然后将所述有机空穴传输材料溶液涂覆到所述钙钛矿层上干燥得到的。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种太阳能及离子储能两用电池器件及其制备方法，该电池器件包括透明导电衬底和依次设于透明导电衬底上的PEDOT:PSS层、钙钛矿层、有机空穴传输层、三氧化钼层、金属导电层，该电池器件兼具有太阳能电池和离子电池的性能，在光照条件下，钙钛矿材料内部离子，尤其是卤素离子的运动，使得器件的阴阳极两端实现正负电荷的累积，将光转化成电，在没有光照的条件下，钙钛矿内部离子的运动会在钙钛矿薄膜层两端形成正负离子的汇集，进而在器件中形成一定的电势差，这个电势差会在外部偏压和光照消失时驱动汇集的离子向钙钛矿材料内部运动，继而在此过程中产生电流；PEDOT:PSS作为一种分子结构简单、能隙小、电导率高聚合物，将之沉积在透明导电衬底上可以提高载流子抽取和传输能力，改善界面质量，增加有效载流子数量；另一方面PEDOT:PSS层的存在与有机空穴传输层形成能级上对称性，使得器件在一定的偏压或光照情况下在两层上产生一定的电荷积累，为其在可循环电池上的应用提供了基础；有机空穴传输层沉积在钙钛矿层表面，增加了钙钛矿层表面的平整度，降低了钙钛矿与金属电极直接接触的可能性，提高器件寿命；而且有机空穴传输层相对于无机空穴传输层具有更强的空穴抽取和传输能力，使得器件在光照条件下具有较高的空穴传输能力，提高器件效率；三氧化钼具有与有机空穴传输材料能级相当的功函数，同时它作为金属氧化物具有较高的稳定性和界面兼容性，将之沉积在有机空穴传输层上可以改善空穴传输层与金属电极的能级和接触匹配，与金属铝形成复合电极。
附图说明
图1为兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件的结构示意图。
图2为兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件在光照条件下的工作原理图。
图3为实施例1中的电池器件在太阳光下的光电J-V曲线。
图4为兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件在无光照、3V偏压下的工作原理图。
图5为兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件在无光照、0V偏压下的工作原理图。
图6为实施例1中的电池器件在短路回路中的光照充放电的J-T曲线。
图7为实施例1中的电池器件在短路回路中的电充放电的J-T曲线。
具体实施方式
实施例1：
本发明提供了一种兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件，其结构示意图如图1所示，电池器件包括透明导电衬底1，所述透明导电衬底1上依次设有PEDOT:PSS层2、钙钛矿层3、有机空穴传输层4、三氧化钼层5、金属导电层6，其中，所述透明导电衬底1为电池器件的阳极，所述金属导电层6为电池器件的阴极。所述钙钛矿层3中含有CH3NH3PbAxB3-x型晶体结构的材料，其中A为Cl、Br或I，B为Cl、Br或I，x为0、1、2或3，这种钙钛矿材料为一种半导体材料，具有很好的吸光系数，能用作太阳能电池材料，同时，这种钙钛矿材料内部能产生离子运动，为储能电池提供有效途径，所述钙钛矿层3的厚度为300nm。所述有机空穴传输层4的厚度为100nm，所述有机空穴传输层4中含有有机共轭聚合物空穴传输材料，所述有机共轭聚合物空穴传输材料为P3HT(3-己基噻吩)，P3HT具有很强的空穴抽取和传输能力，使得器件在光照条件下具有较高的空穴传输能力，提高器件效率。所述三氧化钼层5的厚度为10nm，所述透明导电衬底1包括玻璃和覆于玻璃表面的导电层，所述导电层为ITO(氧化铟锡)。所述金属导电层6为铝层。
上述兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件中所述钙钛矿层3、所述PEDOT:PSS层2和所述有机空穴传输层4都是通过溶液法制备得到，具体地，所述钙钛矿层3是通过制备钙钛矿溶液，然后将所述钙钛矿溶液涂覆到所述PEDOT:PSS层2上干燥得到的，所述钙钛矿溶液中钙钛矿浓度为1mol/L，通过旋涂的工艺涂覆到所述PEDOT:PSS层2上，旋转速度为4000rpm，旋涂时间30min，干燥是在90℃下加热10min；所述PEDOT:PSS层2是通过制备PEDOT:PSS溶液，然后将所述PEDOT:PSS溶液涂覆到所述透明导电衬底上干燥得到的，所述PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS浓度为15mol/L，通过旋涂的工艺涂覆到所述透明导电衬底2上，旋转速度为3000rpm，干燥是手套箱内130℃干燥1小时；所述有机空穴传输层4是通过制备有机空穴传输材料溶液，然后将所述有机空穴传输材料溶液涂覆到所述钙钛矿层3上干燥得到的，所述有机空穴传输材料溶液中有机空穴传输材料浓度为15mol/L，通过旋涂的工艺涂覆到所述钙钛矿层3上，旋涂后于手套箱内自然干燥。
参照图2，图2为兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件在光照条件下的工作原理图，所述电池器件在光照条件下，钙钛矿层3中钙钛矿材料内部离子，尤其是卤素离子的运动，使得器件的阴阳极两端实现正负电荷的累积，将光转化成电。对实施例1制备得到的电池器件进行太阳能J-V曲线分析，得到电池器件在一个标准太阳光AM(1.5G)下的光电J(电流密度)-V(电压)曲线如图3，得到电池器件在一个标准太阳光AM(1.5G)下的太阳能电池性能参数如表1所示，由图3可以看到在电压下发生离子移动，能级结构部对称，产生明显的光伏效应。由表1可以看到该电池获得16.61mA/cm2的短路电流，0.89V的开路电压，61.3％的填充因子与9.07％的能量转换效率。
表1电池器件在一个标准太阳光下的电池性能参数
参照图4，图4为兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件在无光照、3V偏压下的工作原理图，所述电池器件在无光照、3V偏压下，偏压会驱动钙钛矿层3中钙钛矿材料内部离子，尤其是卤素离子的运动，在钙钛矿两端形成正负电荷富集，形成对于器件的充电过程。
参照图5，图5为兼具太阳能电池、离子电池功能的电池器件在无光照、0V偏压下的工作原理图，所述电池器件在无光照、0V偏压下，钙钛矿两端富集的电荷运动，在回路中形成电流，形成对于器件的放电过程。
分别在光照、无光照条件下，分析实施例1的电池器件在短路回路中的光照充放电J(电流密度)-T(时间)曲线，得到结果如图6，当存在光照时，电池器件中钙钛矿的内部离子在光生电动势的作用下运动，电荷在钙钛矿两端富集，同时产生相应的电势差，完成充电过程(光照条件阶段)；当无光照时，离子在电势差作用下运动，产生电流，器件进入放电过程(黑暗条件阶段)。
分别在无光照3V偏压、无光照0V偏压条件下，分析实施例1的电池器件在短路回路中的电充放电J(电流密度)-T(时间)曲线，得到结果如图7，当加+3V偏压时，电池器件中钙钛矿内部离子在外部电压的作用下运动，电荷在钙钛矿两端富集，同时产生相应的电势差，完成充电过程；当偏压去除时，离子在内部电势差作用下运动，产生电流，器件进入放电过程。
综上，本发明所述的电池器件在有光照时可以作为太阳能电池使用，在没有光照时，可以作为离子电池使用，可全天候使用。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：所述有机共轭聚合物空穴传输材料为PDPPDP(聚噻吩吡咯共聚物)，PDPPDP具有很强的空穴抽取和传输能力，使得器件在光照条件下具有较高的空穴传输能力，提高器件效率，所述透明导电衬底1包括玻璃和覆于玻璃表面的导电层，所述导电层为FTO(氟掺杂氧化锡)。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：所述导电层为AZO(铝掺杂氧化锌)。

Claims (8)

1.一种太阳能及离子储能两用电池器件，包括透明导电衬底，其特征在于，所述透明导电衬底上依次设有PEDOT:PSS层、钙钛矿层、有机空穴传输层、三氧化钼层、金属导电层，所述太阳能及离子储能两用电池器件既可以用作太阳能电池，将光能转化为电能，也可以用作离子电池，通过对所述太阳能及离子储能两用电池器件进行充电和放电来储存和利用电能，所述太阳能及离子储能两用电池器件具有全天候工作的能力。
2.根据权利要求1所述的太阳能及离子储能两用电池器件，其特征在于，所述钙钛矿层中含有CH3NH3PbAxB3-x型晶体结构的材料，其中A为Cl、Br或I，B为Cl、Br或I，x为0、1、2或3。
3.根据权利要求1所述的太阳能及离子储能两用电池器件，其特征在于，所述有机空穴传输层中含有有机共轭聚合物空穴传输材料，所述有机共轭聚合物空穴传输材料为P3HT或PDPPDP。
4.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能及离子储能两用电池器件，其特征在于，所述透明导电衬底包括导电层，所述导电层为ITO、FTO或AZO。
5.根据权利要求1-3任一项所述的太阳能及离子储能两用电池器件，其特征在于，所述金属导电层为铝层。
6.一种权利要求1-5任一项所述的太阳能及离子储能两用电池器件的制备方法，其特征在于，所述钙钛矿层是通过制备钙钛矿溶液，然后将所述钙钛矿溶液涂覆到所述PEDOT:PSS层上干燥得到的。
7.根据权利要求6所述的太阳能及离子储能两用电池器件的制备方法，其特征在于，所述PEDOT:PSS层是通过制备PEDOT:PSS溶液，然后将所述PEDOT:PSS溶液涂覆到所述透明导电衬底上干燥得到的。
8.根据权利要求6或7所述的太阳能及离子储能两用电池器件的制备方法，其特征在于，所述有机空穴传输层是通过制备有机空穴传输材料溶液，然后将所述有机空穴传输材料溶液涂覆到所述钙钛矿层上干燥得到的。
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