CN109904321B - 一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，以碳源和模板剂为原料，通过100～200℃下溶剂热反应和500～650℃下热解碳化反应制成。本发明还公开了上述碳电极材料的制备方法，包括如下步骤：将碳源加入到乙二醇‑水溶液中，加入模板剂搅拌均匀，接着在100～200℃下反应1～2h，得到反应物；然后在保护气体氛围条件下，将反应物在500～650℃下煅烧2～3h，即得到碳电极材料。本发明通过碳电极材料代替昂贵贵金属作为空穴传输电极材料，降低成本，且制备的碳电极材料具有空心球状结构，在太阳能电池上应用性能稳定性，提高了光电转换效率。同时碳电极材料的制备采用溶剂热和热解碳化两步反应合成，操作简便。

Description

一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料及其制备方法。
背景技术
随着煤、石油、天然气这三种传统化石能源的不断消耗，能源危机已经成为了全人类的共同面对的难题，同时化石燃料燃烧导致环境污染也逐渐加深，人们迫切需要找到一种清洁无污染的可替代能源。其中，太阳能取之不尽用之不竭，一直被认为是最理想的能源之一。目前，太阳能电池约85％的市场份额由晶体硅太阳能电池占据，但是由于晶体硅高昂的价格，严重制约了其发展。钙钛矿太阳能电池是近年发展起来的新兴光伏产业，主要利用具有钙钛矿结构的光伏材料来实现光电转换，具有原材料来源广泛、结构简单、价格低廉等优点，具有良好的应用前景，在短短的四年中，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率从3.8％增加到19.3％，使其在效率方面可以与商业化的晶体硅太阳能电池相媲美。
在钙钛矿太阳能电池的制备工艺中，通常需要采用贵金属金或银作为电池的对电极，使得太阳能电池的制备成本较高，不利于大规模生产，现在已有把碳材料加入到钙钛矿太能电池中作为电极使用，但是现有的碳材料制备工艺复杂，且制得的太阳能电池的稳定性不是很好，光电转换效率不是很理想。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料及其制备方法，降低成本，简化制备工艺，提高太阳能电池的稳定性和光电转换效率。
本发明的第一个目的是提供一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，以碳源和模板剂为原料，通过100～200℃下溶剂热反应和500～650℃下热解碳化反应制成。
优选的，所述碳源为糖类碳源或醇类碳源。
优选的，所述碳源为蔗糖、葡萄糖中的一种。
优选的，步骤S2中，所述模板剂为十六烷基三甲基溴化铵、乙二胺四乙酸、聚乙二醇中的一种。
优选的，碳电极材料具有空心球状结构。
本发明的第二个目的是提供一种上述钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将碳源加入到乙二醇-水溶液中，搅拌使溶解，得到碳-乙二醇-水溶液；
S2、将模板剂加入到S1得到的碳-乙二醇-水溶液中，搅拌10～30min，得到混合液；其中，模板剂与S1中所使用碳源的摩尔比为0.1～0.5:1；
S3、将S2得到的混合液在100～200℃下反应1～2h，得到反应液，然后将反应液经过滤、洗涤、干燥，得到反应物；
S4、在保护气体氛围条件下，将S3得到的反应物在500～650℃下煅烧2～3h，然后洗涤、离心、干燥，即得到碳电极材料。
优选的，步骤S1中，所述乙二醇-水溶液中乙二醇与蒸馏水的体积比为1～3:1。
优选的，步骤S4中，所述保护气体为氮气或氩气。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明所用原材料来源广泛，仅通过简单的化学还原法即可获得性能稳定的空心球状结构的碳电极材料，简化了工艺，降低了成本；
(2)本发明可通过改变碳源与模板剂的摩尔配比、溶剂热和碳化反应的温度和时间等来调控碳电极材料的结构，从而得到不同光电转化效率的电极材料；
(3)本发明制备的碳电极材料所制备的太阳能电池的储存稳定性良好，在常温条件下存放一个月其结构和性能不发生明显改变；而且具有较高的光电转换效率，光电转换效率最高可达到8.5％；
(4)本发明的制备工艺中没有出现有毒气体等危害物质，符合绿色、环保、可持续的发展要求。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的碳电极材料的扫描电镜图片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
实施例1
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、将1g的葡萄糖加入到盛有40ml乙二醇-水溶液(乙二醇与蒸馏水的体积比为2:1)的聚四氟乙烯衬底的高压釜中，搅拌使溶解，得到碳-乙二醇-水溶液；
S2、将0.2g十六烷基三甲基溴化铵加入到S1得到的碳-乙二醇-水溶液中，搅拌30min，得到混合液；
S3、将S2得到的混合液在160℃烘箱中反应1h，得到反应液，然后将反应液经过滤、洗涤、干燥，得到反应物；
S4、在氩气氛围条件下，将S3得到的反应物在管式炉中于550℃煅烧2h，然后洗涤、离心、干燥，即得到碳电极材料。
实施例2
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S2中使用的十六烷基三甲基溴化铵的质量为0.6g。
实施例3
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S2中使用的十六烷基三甲基溴化铵的质量为1g。
实施例4
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S1中使用的乙二醇与蒸馏水的体积比为3:1。
实施例5
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S1中使用的乙二醇与蒸馏水的体积比为1:1。
实施例6
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S3中反应的温度为100℃，时间为2h。
实施例7
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S3中反应的温度为200，时间为1h。
实施例8
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S4煅烧的温度为500℃，时间为3h。
实施例9
一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法，具体步骤与实施例1相同，区别仅在于S4煅烧的温度为650℃，时间为2h。
我们对实施例1-8制备的钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料进行形貌和电性能研究
一、形貌研究
图1为本发明实施例1制备的碳电极材料的扫描电镜图，从图1中可以看出，制备的碳电极材料为空心球状结构，且分散性良好，而且可以看出空心球的尺寸为200～300nm，壁厚为40～60nm。
二、电性能测试
将FTO透明导电玻璃衬底依次用去离子水、乙醇和丙酮超声清洗，真空干燥，然后置于匀胶机中，表面选涂常规Ti02致密层溶液，得到Ti02致密层，然后在Ti02致密层的表面上制备多级孔金属氧化物骨架材料(依次印刷Ti02材料、ZrO2材料、NiO材料)，然后通过喷雾涂膜法制备碳电极层(将异丙醇、无水乙醇、实施例1-8制备的碳电极材料及电子有机传输材料按摩尔比100:100:1:10混合，搅拌30min，然后用喷雾涂膜法在多级孔金属氧化物骨架材料表面上制备碳电极层，载气流量为0.25L/min，喷雾涂膜时间为250s)，得到钙钛矿薄膜太阳能电池。
采用三电极结构利用电化学工作站对本发明实施例1-8制备的碳电极材料组装的钙钛矿薄膜太阳能电池进行光电转换效率测试，测试结果如下表1所示。
表1光电转换效率测试结果
组别 光电转换效率
实施例1 8.5％
实施例2 5.3％
实施例3 6.6％
实施例4 6.2％
实施例5 7.9％
实施例6 5.2％
实施例7 6.5％
实施例8 7.2％
实施例9 7.1％
通过表1的结果可知，本发明实施例1-8制备的碳电极材料应用于钙钛矿薄膜太阳能电池，其光电转换效率都比较好，且本发明实施例1制备碳电极材料的电池的光电转换效率最好，高达8.5％，具有优异的光电转换性能。
对本发明实施例1-8制备的碳电极材料组装的钙钛矿薄膜太阳能电池的方块电阻进行测试，测试结果如下表2所示。
表2方块电阻测试结果
Figure BDA0001986146350000061
Figure BDA0001986146350000071
通过表2结果可知，本发明实施例1-8制备的碳电极材料应用于钙钛矿薄膜太阳能电池，其方块电阻均不是很大，且本发明实施例1制备碳电极材料的电池的方块电阻最小，为0.328kohm/cm2，具有最佳的载流子传导性能。
综上所述，本发明实施例通过改变碳源与模板剂的摩尔配比、溶剂热和碳化反应的温度和时间等来调控碳电极材料的结构，从而得到不同光电转化效率和方块电阻的电极材料；且本发明实施例1的光电转化效率最佳，方块电阻最小。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，其特征在于，以碳源和模板剂为原料，通过100～200℃下溶剂热反应和500～650℃下热解碳化反应制成；
所述钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料的制备方法按照以下步骤制备：
S1、将碳源加入到乙二醇-水溶液中，搅拌使其溶解，得到碳-乙二醇-水溶液；
S2、将模板剂加入到S1得到的碳-乙二醇-水溶液中，搅拌10～30min，得到混合液；其中，模板剂与S1中所使用碳源的摩尔比为0.1～0.5:1；
S3、将S2得到的混合液在100～200℃下反应1～2h，得到反应液，然后将反应液经过滤、洗涤、干燥，得到反应物；
S4、在保护气体氛围条件下，将S3得到的反应物在500～650℃下煅烧2～3h，然后洗涤、离心、干燥，即得到碳电极材料。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，其特征在于，所述碳源为糖类碳源或醇类碳源。
3.根据权利要求2所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，其特征在于，所述碳源为蔗糖、葡萄糖中的一种。
4.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，其特征在于，所述模板剂为十六烷基三甲基溴化铵、乙二胺四乙酸、聚乙二醇中的一种。
5.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，其特征在于，所述碳电极材料具有空心球状结构。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，其特征在于，步骤S1中，所述乙二醇-水溶液中乙二醇与蒸馏水的体积比为1～3:1。
7.根据权利要求1所述的钙钛矿薄膜太阳能电池的碳电极材料，其特征在于，步骤S4中，所述保护气体为氮气或氩气。
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