CN111211225A - 太阳能电池介孔层浆料及制备方法、太阳能电池及制备方法和应用、发电模组、发电系统 - Google Patents

太阳能电池介孔层浆料及制备方法、太阳能电池及制备方法和应用、发电模组、发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能电池领域，具体而言，提供了一种太阳能电池介孔层浆料及制备方法、太阳能电池及制备方法和应用、发电模组、发电系统。所述太阳能电池介孔层浆料包括：金属氧化物浆料和分散在金属氧化物浆料中的石墨相碳氮聚合物。该太阳能电池介孔层浆料能有效减少电子和空穴的复合率，从而提高太阳能电池的转化效率。

Description

太阳能电池介孔层浆料及制备方法、太阳能电池及制备方法 和应用、发电模组、发电系统
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，具体而言，涉及一种太阳能电池介孔层浆料及制备方法、太阳能电池及制备方法和应用、发电模组、发电系统。
背景技术
近年来，随着化石能源的日益枯竭及温室效应和环境污染等问题的日益严重，为了解决这些问题，人们把目光投向了新能源的开发和利用上，在各种新能源技术中，光伏发电无疑是最具有前景的方向之一。传统的硅基太阳能电池虽然实现了产业化，有着较为成熟的市场，但其性价比还无法与传统能源相竞争，并且制造过程中的污染和能耗问题影响了其广泛应用。因此，研究和发展高效率、低成本的新型太阳能电池十分必要。
在众多的新型太阳能电池里，钙钛矿薄膜太阳能电池因具备制作材料低成本以及制备过程中能耗低、污染小等优势，成为新型太阳能电池中备受瞩目的研究热点，吸引了众多科研工作者的关注。然而目前钙钛矿薄膜太阳能电池的光电转化效率仍然较低，制约着其广泛应用，因此如何进一步提高钙钛矿薄膜太阳能的光电转化效率成为研究的重点。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种太阳能电池介孔层浆料，该浆料能有效减少电子和空穴的复合率，从而提高太阳能电池的转化效率。
本发明的第二目的在于提供一种太阳能电池介孔层浆料的制备方法。
本发明的第三目的在于提供一种太阳能电池。
本发明的第四目的在于提供一种太阳能电池的制备方法。
本发明的第五目的在于提供一种发电模组或发电系统。
本发明的第六目的在于提供一种太阳能电池、发电模组或发电系统的应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种太阳能电池介孔层浆料，包括：金属氧化物浆料和分散在金属氧化物浆料中的石墨相碳氮聚合物。
作为进一步优选的技术方案，石墨相碳氮聚合物与金属氧化物浆料的比例为(0-50)mg：1mL，不包括0；优选为(0-10)mg：1mL，不包括0；
优选地，石墨相碳氮聚合物的长度为20-500nm，宽度为10-200nm。
作为进一步优选的技术方案，金属氧化物浆料包括半导体金属氧化物浆料；
优选地，金属氧化物浆料包括TiO2浆料和/或SnO2浆料；
优选地，金属氧化物浆料中金属氧化物的含量为2-10wt％；
优选地，金属氧化物浆料中金属氧化物的粒径在20-50nm之间。
第二方面，本发明提供了一种上述太阳能电池介孔层浆料的制备方法，包括：将石墨相碳氮聚合物与金属氧化物浆料混合均匀，得到所述太阳能电池介孔层浆料。
第三方面，本发明提供了一种太阳能电池，包括依次层叠设置的导电衬底、致密层、介孔层、吸光层和对电极层；所述介孔层主要由上述太阳能电池介孔层浆料形成。
作为进一步优选的技术方案，所述介孔层的厚度为50-600nm；
优选地，致密层的厚度为60-300nm；
优选地，吸光层的厚度为300-1000nm；
优选地，对电极层的厚度为5-20μm。
作为进一步优选的技术方案，所述致密层包括金属氧化物致密层；
优选地，金属氧化物致密层包括TiO2致密层和/或SnO2致密层；
优选地，所述吸光层包括钙钛矿吸光层；
优选地，钙钛矿吸光层主要由ABXmY3-m材料构成，其中，A包括CH3NH3或C4H9NH3，B包括Pb或Sn，X和Y各自独立的为Cl、Br或I，X和Y不同，m为1、2或3；
优选地，所述对电极层包括碳电极层或金属电极层；
优选地，碳电极层主要由导电炭黑浆料、石墨浆料、碳纤维浆料、碳纳米管浆料或石墨烯浆料中的至少一种形成。
第四方面，本发明提供了一种上述太阳能电池的制备方法，包括：在导电衬底表面依次涂覆致密层溶液、太阳能电池介孔层浆料、吸光层溶液和对电极浆料，得到所述太阳能电池。
第五方面，本发明提供了一种发电模组或发电系统，包括上述太阳能电池。
第六方面，本发明提供了一种上述太阳能电池、上述发电模组或上述发电系统在用电设备中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的太阳能电池介孔层浆料主要由金属氧化物浆料和分散在金属氧化物浆料中的石墨相碳氮聚合物组成，石墨相碳氮聚合物(g-C3N4)是一种二维纳米半导体材料，具有光催化活性较高、稳定性好、特殊的光学性能、无毒和易制备的优点，将其分散在金属氧化物浆料中，能有效减少电子和空穴的复合率，从而提高太阳能电池的转化效率。
附图说明
图1为实施例1制备得到的太阳能电池的伏安特性曲线；
图2为实施例2制备得到的太阳能电池的伏安特性曲线；
图3为实施例3制备得到的太阳能电池的伏安特性曲线；
图4为实施例4制备得到的太阳能电池的伏安特性曲线；
图5为实施例5制备得到的太阳能电池的伏安特性曲线；
图6为介孔钙钛矿太阳能电池的结构示意图；
图7为实施例1制备得到的太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。
根据本发明的一个方面，在至少一个实施例中提供了一种太阳能电池介孔层浆料，包括：金属氧化物浆料和分散在金属氧化物浆料中的石墨相碳氮聚合物。
介孔层在太阳能电池中能够起到传输电子和阻挡电子空穴对复合的作用，其阻挡电子空穴对复合的能力对太阳能电池光电转化效率有非常重要的影响。上述太阳能电池介孔层浆料主要由金属氧化物浆料和分散在金属氧化物浆料中的石墨相碳氮聚合物组成，石墨相碳氮聚合物(g-C3N4)是一种二维纳米半导体材料，具有光催化活性较高、稳定性好、特殊的光学性能、无毒和易制备的优点，将其分散在金属氧化物浆料中，能有效减少电子和空穴的复合率，从而提高太阳能电池的转化效率。
上述“石墨相碳氮聚合物”也可称为石墨相氮化碳或类石墨相氮化碳，化学式为g-C3N4，它是一种典型的聚合物半导体，其结构中的CN原子以sp2杂化形成高度离域的π共轭体系。
上述“分散”是指石墨相碳氮聚合物存在于金属氧化物浆料中，该分散应做广义理解，即只要石墨相碳氮聚合物存在于金属氧化物浆料中即可，不要求其在金属氧化物浆料中各处的含量均是相同的(即不要求其一定均匀分布于金属氧化物浆料中，可以是石墨相碳氮聚合物均匀分布于金属氧化物浆料中，也可以是石墨相碳氮聚合物非均匀分布于金属氧化物浆料中)，也不对其存在的状态进行限制，例如可以是石墨相碳氮聚合物全部悬浮于金属氧化物浆料中，也可以是石墨相碳氮聚合物部分或全部沉淀于金属氧化物浆料的底部，只要在使用前可以通过晃动等方式将二者重新混合均匀即可。
上述“金属氧化物浆料”是指主要由金属氧化物所形成的浆料。
在一种优选的实施方式中，金属氧化物浆料包括半导体金属氧化物浆料。“半导体金属氧化物浆料”是指主要由半导体金属氧化物形成的浆料，半导体金属氧化物是指具有半导体特性的金属氧化物，半导体特性是指在常温下导电性能介于导体和绝缘体、在受光或热的作用时导电能力明显变化和掺杂后导电能力明显改变等半导体材料所具有的特性。采用半导体金属氧化物浆料能够在减少电子空穴复合率的前提下，进一步提高其传输电子的能力，由此进一步提高太阳能电池的光电转化效率。
优选地，金属氧化物浆料包括TiO2浆料和/或SnO2浆料。TiO2浆料和SnO2浆料性能优良且稳定，来源丰富，价格低廉，与太阳能电池其余层之间的匹配性较好，将其直接应用于太阳能电池中无明显的技术障碍。
优选地，石墨相碳氮聚合物与金属氧化物浆料的比例为(0-50)mg：1mL，不包括0；优选为(0-10)mg：1mL，不包括0。上述比例典型但非限制性的为0.5mg：1mL、1mg：1mL、1.5mg：1mL、2mg：1mL、5mg：1mL、8mg：1mL、10mg：1mL、12mg：1mL、15mg：1mL、18mg：1mL、20mg：1mL、25mg：1mL、30mg：1mL、35mg：1mL、40mg：1mL、45mg：1mL或50mg：1mL。该比例的含义是：每1mL金属氧化物浆料中分散0-50mg(不包括0)的石墨相碳氮聚合物。上述比例不宜过大或过小，过大则石墨相碳氮聚合物的含量相对较多，会破坏膜的均一性，涂覆(特别是旋涂)后的膜不完整(含量较多，旋涂后，膜变得粗糙了)；过小则石墨相碳氮聚合物的含量相对过少，减少电子空穴复合的效果相对较差。
优选地，石墨相碳氮聚合物的长度为20-500nm，宽度为10-200nm。上述长度典型但非限制性的为20、50、100、150、200、250、300、350、400、450或500nm。上述宽度典型但非限制性的为10、20、40、60、80、100、120、140、160、180或200nm。当石墨相碳氮聚合物的长度和宽度在上述范围内时，该介孔层浆料抑制电子空穴复合的效果更好。
优选地，金属氧化物浆料中金属氧化物的含量为2-10wt％。上述含量例如为2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％。当金属氧化物的含量在以上范围内时，所得介孔层浆料的电子传输性能更好，有利于进一步提高太阳能电池的光电转化效率。
优选地，金属氧化物浆料中金属氧化物的粒径在20-50nm之间。上述粒径范围典型但非限制性的为20-50、22-30、22-34、24-48、26-45、30-48、36-50、40-50或42-50nm。金属氧化物的粒径不宜过大或过小，当其粒径范围为20-50nm时，所得介孔层浆料传输电子的能力更高。
需要说明的是：
本发明对石墨相碳氮聚合物的来源或制备方法不做特别限制，可采用现有的任意厂商所提供的石墨相碳氮聚合物，也可采用现有的任意一种方法自行制备得到。可选地，该石墨相碳氮聚合物可采用以下方法制备得到：将富氮化合物在450-650℃煅烧，煅烧时间为0.5-6h，富氮化合物包括三聚氰胺、三聚硫氰酸、双氰胺、二氰二胺、硫脲或尿素中的至少一种。上述富氮化合物包括但不限于三聚氰胺，三聚硫氰酸，双氰胺，二氰二胺，硫脲，尿素，三聚氰胺和三聚硫氰酸的组合，双氰胺和二氰二胺的组合，硫脲和尿素的组合，三聚氰胺、三聚硫氰酸和双氰胺的组合，二氰二胺、硫脲和尿素的组合，或三聚氰胺、三聚硫氰酸、双氰胺、二氰二胺、硫脲和尿素的组合等。
另外，金属氧化物浆料可选用现有的浆料，也可对现有的浆料进行进一步的稀释或浓缩，以得到优选金属氧化物含量的浆料。可选地，现有的浆料与溶剂以1：(1-10)的质量比混合，得到所需金属氧化物含量的浆料，溶剂包括甲醇、乙醇、苯甲醇、乙二醇、异丙醇、正丙醇或正丁醇中的至少一种。上述溶剂包括但不限于甲醇，乙醇，苯甲醇，乙二醇，异丙醇，正丙醇，正丁醇，甲醇和乙醇的组合，苯甲醇和乙二醇的组合，异丙醇和正丙醇的组合，甲醇、乙醇和苯甲醇的组合，乙二醇、异丙醇和正丙醇的组合，或甲醇、异丙醇和正丁醇的组合等。
根据本发明的另一方面，在至少一个实施例中提供了一种上述太阳能电池介孔层浆料的制备方法，包括：将石墨相碳氮聚合物与金属氧化物浆料混合均匀，得到所述太阳能电池介孔层浆料。该制备方法工艺简单，所得太阳能电池介孔层浆料具有良好的减少电子和空穴的复合率的作用，从而能够有效提高太阳能电池的转化效率。
需要说明的是，石墨相碳氮聚合物可以直接与金属氧化物浆料混合，也可先分散在溶剂中再与金属氧化物浆料混合。
根据本发明的另一方面，在至少一个实施例中提供了一种太阳能电池，包括依次层叠设置的导电衬底、致密层、介孔层、吸光层和对电极层；所述介孔层主要由上述太阳能电池介孔层浆料形成。该太阳能电池包括上述介孔层浆料形成的介孔层，能有效减少电子和空穴的复合率，太阳能电池的光电转化效率高。
在一种优选的实施方式中，所述介孔层的厚度为50-600nm。上述厚度典型但非限制性的为50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、550或600nm。
优选地，致密层的厚度为60-300nm。上述厚度典型但非限制性的为60、80、100、120、140、160、180、200、220、240、260、270或300nm。
优选地，吸光层的厚度为300-1000nm。上述厚度典型但非限制性的为300、350、400、450、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950或1000nm。
优选地，对电极层的厚度为5-20μm。上述厚度典型但非限制性的为5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20μm。
当介孔层、致密层、吸光层和对电极层的厚度分别在以上范围内时，更有利于电子的传输，有利于光生电子和空穴的分离以及传输。
在一种优选的实施方式中，所述致密层包括金属氧化物致密层。“金属氧化物致密层”是指主要由金属氧化物前驱体溶液所形成的致密层，金属氧化物前驱体溶液是指含有金属氧化物前驱体的溶液，该金属氧化物前驱体是指含有金属元素，且在经后续的煅烧工艺后能够形成金属氧化物的物质。
优选地，金属氧化物致密层包括TiO2致密层和/或SnO2致密层。
优选地，所述吸光层包括钙钛矿吸光层。
优选地，钙钛矿吸光层主要由ABXmY3-m材料构成，其中，A包括CH3NH3或C4H9NH3，B包括Pb或Sn，X和Y各自独立的为Cl、Br或I，X和Y不同，m为1、2或3。
优选地，所述对电极层包括碳电极层或金属电极层。
优选地，碳电极层主要由导电炭黑浆料、石墨浆料、碳纤维浆料、碳纳米管浆料或石墨烯浆料中的至少一种形成。可选地，碳电极层主要由导电炭黑浆料，石墨浆料，碳纤维浆料，碳纳米管浆料，石墨烯浆料，导电炭黑浆料和石墨浆料，碳纤维浆料和碳纳米管浆料，或碳纤维浆料、碳纳米管浆料和石墨烯浆料形成。
TiO2致密层是太阳能电池特别是钙钛矿太阳能电池中应用最为广泛的电子传输材料，得益于其带隙范围能够和CH3NH3PbI3等相匹配，有利于电子注入的优点。而采用碳作为对电极可有效降低电池的成本。
可选地，所述导电衬底包括掺杂或未掺杂的导电玻璃。
可选地，导电玻璃包括二氧化锡导电玻璃、铟锡氧化物导电玻璃或氧化锌导电玻璃。
可选地，掺杂元素包括氟或铝。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述太阳能电池的制备方法，包括：在导电衬底表面依次涂覆致密层溶液、上述太阳能电池介孔层浆料、吸光层溶液和对电极浆料，得到所述太阳能电池。该方法工艺简单，生产效率高，成本和能耗较低，生产过程中无污染，可重复性好，适用于规模化生产，有较大的工业化应用前景。该方法制备所得到的太阳能电池在工作过程中电子和空穴对不易复合，因而具有较高的光电转化效率。
本发明对具体的涂覆工艺不做特别限制，可采用本领域可实现的方式，例如采用旋涂法等。在涂覆后还可包括对相应涂覆物进行干燥和/或烧结的步骤，本发明对此也不做特别限制，采用本领域可实现的方式即可，例如对于制备致密层来说，在涂覆致密层溶液后，将其于400-600℃下空气中退火0.5-5h，可得到致密层。另外，在制备过程中，导电衬底应当是干净清洁且干燥的，可对其进行烘干和紫外臭氧处理，以得到符合制备条件的导电衬底。
根据本发明的另一方面，提供了一种发电模组或发电系统，包括上述太阳能电池。该发电模组或发电系统包括上述太阳能电池，因而具有光电转化效率高的优点，在同样的光照条件下，发电功率更高。
本发明对太阳能电池在发电模组或发电系统中的具体设置以及与其余组件之间的连接关系不做特别限制，可采用本领域常用的设置方式和连接方式，只要能够实现相应的发电功能即可。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述太阳能电池、发电模组或发电系统在用电设备中的应用。将上述太阳能电池、发电模组或发电系统应用于用电设备中，能够延长对用电设备的供电时间，有效降低用电成本。
上述“用电设备”是指采用电力作为能源进行工作的设备，包括但不限于照明设备、采暖设备、制冷设备或运输设备等。
下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种太阳能电池，包括依次层叠设置的二氧化锡导电玻璃、TiO2致密层、介孔层、吸光层和碳电极层。
该太阳能电池采用以下方法制备得到：
(a)二异丙氧基乙酰丙酮钛与乙醇按照体积比1:13.7得到致密层溶液，旋涂在表面清洁的二氧化锡导电玻璃表面，500℃退火0.5h，得到TiO2致密层，厚度为60nm；
(b)将富氮化合物尿素在550℃煅烧3h，得到石墨相碳氮聚合物，然后将1mg石墨相碳氮聚合物与1mL TiO2浆料混合均匀，得到介孔层浆料，将介孔层浆料旋涂在TiO2致密层表面，500℃退火0.5h，得到介孔层，厚度为300nm；
其中，石墨相碳氮聚合物的长度为100nm，宽度为100nm，TiO2浆料中TiO2的含量为2％，TiO2的粒径在20-50nm之间；
(c)将吸光层溶液(吸光材料为CH3NH3PbI3)旋涂在介孔层表面，100℃退火10min，得到吸光层，厚度为300nm；
(d)将导电炭黑浆料旋涂在吸光层表面，100℃退火3h，得到对电极层，厚度为5μm。
从图1中可以看出，本实施例所得到的太阳能电池的光电转化效率为7.8％，开路电压为1.0219V，电流密度为11.6629mA/cm2，填充因子为65.42％。
从图6和图7中可以看出，现有的介孔钙钛矿太阳能电池的介孔层中不含石墨相碳氮聚合物(g-C3N4)，实施例1提供的太阳能电池的介孔层中含有石墨相碳氮聚合物(g-C3N4)。
实施例2-5
一种太阳能电池，与实施例1不同的是，分别将0、0.5、1.5和2mg石墨相碳氮聚合物与1mL TiO2浆料混合均匀，得到介孔层浆料，其余均与实施例1相同。
从图2中可以看出，实施例2所得到的太阳能电池的光电转化效率为6.78％，开路电压为0.9457V，电流密度为11.6367mA/cm2，填充因子为61.61％。
从图3中可以看出，实施例3所得到的太阳能电池的光电转化效率为7.28％，开路电压为0.9436V，电流密度为11.8230mA/cm2，填充因子为62.30％。
从图4中可以看出，实施例4所得到的太阳能电池的光电转化效率为7.19％，开路电压为1.0194V，电流密度为12.3708mA/cm2，填充因子为57.01％。
从图5中可以看出，实施例5所得到的太阳能电池的光电转化效率为6.64％，开路电压为1.0274V，电流密度为11.8213mA/cm2，填充因子为54.64％。
短路电流密度(current density,Jsc)是指电路处于短路时，单位面积里的光电流。
太阳能电池的开路电压(open circuit density,Voc)是指在电池的开路状态下的电压。
填充因子(Fill Factor,FF)是电池具有最大输出功率时，电流和电压的乘积与开路电压和电流乘积之比，公式如下：
FF＝Pm/(Isc×Vm)＝(Im×Vm)/(Isc×Voc)。
光电转化效率(PCE，η)定义是电池的最大输入功率和输入功率之比，公式如下：
PCE＝Pmax/Pin＝(Jsc×Vmax)/Pin＝(Jsc×Vmax×FF)/Pin。
要想提高太阳能电池的效率就需要提高Voc、Jsc、FF。一般而言FF的提升空间较小，FF主要是由电池内阻所决定的，电池的电阻减小FF就增大，而电池的电阻主要来源于光阳极、对电极、电解液、外电路等。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种太阳能电池介孔层浆料，其特征在于，包括：金属氧化物浆料和分散在金属氧化物浆料中的石墨相碳氮聚合物。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池介孔层浆料，其特征在于，石墨相碳氮聚合物与金属氧化物浆料的比例为(0-50)mg：1mL，不包括0；优选为(0-10)mg：1mL，不包括0；
优选地，石墨相碳氮聚合物的长度为20-500nm，宽度为10-200nm。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能电池介孔层浆料，其特征在于，金属氧化物浆料包括半导体金属氧化物浆料；
优选地，金属氧化物浆料包括TiO2浆料和/或SnO2浆料；
优选地，金属氧化物浆料中金属氧化物的含量为2-10wt％；
优选地，金属氧化物浆料中金属氧化物的粒径在20-50nm之间。
4.权利要求1-3任一项所述的太阳能电池介孔层浆料的制备方法，其特征在于，包括：将石墨相碳氮聚合物与金属氧化物浆料混合均匀，得到所述太阳能电池介孔层浆料。
5.一种太阳能电池，其特征在于，包括依次层叠设置的导电衬底、致密层、介孔层、吸光层和对电极层；所述介孔层主要由权利要求1-3任一项所述的太阳能电池介孔层浆料形成。
6.根据权利要求5所述的太阳能电池，其特征在于，所述介孔层的厚度为50-600nm；
优选地，致密层的厚度为60-300nm；
优选地，吸光层的厚度为300-1000nm；
优选地，对电极层的厚度为5-20μm。
7.根据权利要求5或6所述的太阳能电池，其特征在于，所述致密层包括金属氧化物致密层；
优选地，金属氧化物致密层包括TiO2致密层和/或SnO2致密层；
优选地，所述吸光层包括钙钛矿吸光层；
优选地，钙钛矿吸光层主要由ABXmY3-m材料构成，其中，A包括CH3NH3或C4H9NH3，B包括Pb或Sn，X和Y各自独立的为Cl、Br或I，X和Y不同，m为1、2或3；
优选地，所述对电极层包括碳电极层或金属电极层；
优选地，碳电极层主要由导电炭黑浆料、石墨浆料、碳纤维浆料、碳纳米管浆料或石墨烯浆料中的至少一种形成。
8.权利要求5-7任一项所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括：在导电衬底表面依次涂覆致密层溶液、太阳能电池介孔层浆料、吸光层溶液和对电极浆料，得到所述太阳能电池。
9.一种发电模组或发电系统，其特征在于，包括权利要求5-7任一项所述的太阳能电池。
10.权利要求5-7任一项所述的太阳能电池、权利要求9所述的发电模组或权利要求9所述的发电系统在用电设备中的应用。
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