CN107369770A - 一种低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层的制备方法 - Google Patents

一种低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层的制备方法，将特定溶剂(乙腈、四氢呋喃、苯乙腈、γ‑丁内酯、N,N‑二甲基二酰胺、N‑甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜)加入到碳浆料中，通过印刷或刮涂于钙钛矿层上，经热处理后获得和钙钛矿层界面接触良好的碳电极层。本发明所涉及的碳电极层制备方法，简单实用、可操作性强、成本低廉。与现有技术相比，该发明中的制备方法能在不增加额外工序、无副作用的情况下，增强碳电极层和钙钛矿层间的界面接触，从而提升载流子由钙钛矿层向碳电极层传输的能力，最终带来碳基钙钛矿太阳能电池效率的提高。

Description

一种低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层的制备方法，具体涉及一种在碳浆料中添加特定溶剂制备碳电极层以增强碳电极层与钙钛矿层界面接触的方法。
背景技术
新型薄膜太阳能电池顺应着世界新能源发展的趋势日新月异。钙钛矿太阳能电池自从2009年以3.8％的光电转换效率诞生以来，就一直是全世界太阳能电池领域研究的热点。以钙钛矿层为吸收层、spiro-OMeTAD为空穴传输层、金为电极的全固态太阳能电池为起点，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率突飞猛进，效率不断被刷新。截止目前，其最高的光电转换效率已突破22％。但是基于此结构的电池，空穴传输层和电极材料的价格较高以及电池中层膜的制备主要是依靠旋涂和磁控溅射工艺，因此很难实现商业化应用。所以用廉价的碳电极层(含石墨、炭黑等)替换上述的空穴传输层和金电极层的低温碳基钙钛矿太阳能电池便应运而生。这种电池不仅拥有成本低廉的优点，还能简化电池制备流程，为其商业化应用铺平道路。
在目前的低温碳基钙钛矿太阳能电池的制备过程中，碳电极层是通过印刷或刮涂碳浆料于钙钛矿层上获得的，所得的碳电极层与钙钛矿层之间的界面接触状态难以控制，易存在空隙，接触较差，使得电池效率下降。为解决上述问题，有学者提出了使用机械加压法挤压碳电极层，从而提升层间的界面接触。然而，此机械方法会对玻璃基底产生破坏；也有学者提出通过调控碳电极层中内容物(石墨和炭黑)的比例，进行优化界面接触和导电性。然而，此种方法会在一定程度上牺牲电极的导电性，从而不利于电池性能的进一步提高。本专利在不改变碳电极层导电性与对基底无破坏的前提下，在碳浆料中加入对钙钛矿有一定溶解性的特定溶剂，以制备出能和钙钛矿层界面接触优异的碳电极层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单方便高效的，改善碳电极层和钙钛矿层之间界面接触的方法，具体为一种在碳浆料中添加特定溶剂制备碳电极层以增强碳电极层与钙钛矿层界面接触的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其制备方法包括以下步骤：
步骤1)碳浆料的制备：
将导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液，然后加入一定量的氯苯与特定溶剂的混合溶剂，然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料；
步骤2)碳电极层的制备：
通过印刷或刮涂上述制备好的碳浆料，然后经热处理后，得到最终所需的碳电极层。
进一步的，步骤1)中，所述导电性物质为石墨、炭黑混合物，其中石墨与炭黑的质量比为1:1～7:1。
步骤1)中，所述导电性物质为石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯其中两种或两种以上的混合物。
步骤1)中，所述特定溶剂为乙腈、四氢呋喃、苯乙腈、γ-丁内酯、N,N-二甲基二酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜。
步骤1)中，所述特定溶剂的添加量为碳浆料质量分数的0.1％～30％。
步骤2)中，碳电极层的热处理温度为50～120℃。
其中，所述氯苯起到溶解、分散的作用。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
本发明制备方法简单、无额外工序、成本低廉。通过将能溶解钙钛矿材料(甲胺铅碘等)的特定溶剂(乙腈、四氢呋喃、苯乙腈、γ-丁内酯、N,N-二甲基二酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜)加入到碳浆料中，并印刷或刮涂于钙钛矿层上，经热处理后，微量溶解的钙钛矿重新结晶并和碳层浆料融合在一起，从而增强碳电极层与钙钛矿层间的界面接触，进而提高载流子的传输速率和钙钛矿太阳能电池的效率。
附图说明
图1为实施例1-4组装成电池的J-V曲线图。
图2为实施例1组装成电池的截面扫描电镜图。
图3为实施例2组装成电池的截面扫描电镜图。
图4为实施例1-4组装成电池的光致发光谱。
图5为实施例1-4组装成电池的光电压衰减曲线。
图6为实施例1-4组装成电池的电化学交流阻抗谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂乙腈(质量分数0％，作为空白对照)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例2
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂乙腈(质量分数5％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例3
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂乙腈(质量分数10％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例4
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂乙腈(质量分数15％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例5
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂N,N-二甲基二酰胺(质量分数5％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例6
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂二甲基亚砜(质量分数5％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例7
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂γ-丁内酯(质量分数5％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例8
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂乙腈(质量分数5％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过刮涂上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经50℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
实施例9
(1)碳浆料的制备
将石墨、炭黑等导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液(质量比石墨：炭黑：乙基纤维素溶液＝1.2g:0.4g:3g)，后加入1g的氯苯与特定溶剂乙腈(质量分数5％)的混合溶剂。然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料。
(2)碳电极层的制备
碳电极层通过印刷上述制备好的碳浆料于钙钛矿层上得到。经100℃、30min热处理后，得到最终所需的碳电极层。
下表为以乙腈为例，说明不同含量的特定溶剂制备的碳浆料组装成电池的平均性能参数值：
表1
由上述实施例及表1数据可知，含特定溶剂(如乙腈)制备的碳浆料组装成的电池相比不含特定溶剂制备的碳浆料组装成的电池，在短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)和串联电阻(Rs)方面均有显著提升。从微观方面来看(图2和3)，碳电极层与钙钛矿层间的界面接触更加紧密；从发光性能方面来看(图4)，载流子从钙钛矿层向碳电极层的传输更加迅速；从光电化学方面来看(图5)，电池中载流子的寿命更长；从电化学方面来看(图6)，碳电极层与钙钛矿层间的电子传输阻抗更低。综上所述，含特定溶剂(如乙腈)制备的碳浆料组装成的电池，由于界面接触更好，载流子在界面处的传输阻抗更低，同时载流子寿命延长，从而使得电池的各项性能均得到改善，最终带来电池光电转换效率(PCE)的提升。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：
步骤1)碳浆料的制备：
将导电性物质按比例混合后，加入乙基纤维素的氯苯溶液，然后加入一定量的氯苯与特定溶剂的混合溶剂，然后将上述混合物球磨，即可得到所需的碳浆料；
步骤2)碳电极层的制备：
通过印刷或刮涂上述制备好的碳浆料，然后经热处理后，得到最终所需的碳电极层。
2.根据权利要求1所述的低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其特征在于：步骤1)中，所述导电性物质为石墨、炭黑混合物，其中石墨与炭黑的质量比为1:1～7:1。
3.根据权利要求1所述的低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其特征在于：步骤1)中，所述导电性物质为石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯其中两种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求1所述的低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其特征在于：步骤1)中，所述特定溶剂为乙腈、四氢呋喃、苯乙腈、γ-丁内酯、N,N-二甲基二酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜。
5.根据权利要求1所述的低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其特征在于：步骤1)中，所述特定溶剂的添加量为碳浆料质量分数的0.1％～30％。
6.根据权利要求1所述的低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其特征在于：步骤2)中，碳电极层的热处理温度为50～120℃。
7.根据权利要求1所述的低温碳基钙钛矿太阳能电池用碳电极层，其特征在于：所述氯苯起到溶解、分散的作用。
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