[发明专利]一种基于钙钛矿型有机铅碘化合物的纤维状太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池及其制备技术，尤其涉及一种以钙钛矿型有机铅碘化合物作为光电转换材料、以碳纳米管薄膜和钛丝作为正负电极的纤维状太阳电池及其制备方法，属于太阳能电池及纳米材料应用技术领域。

背景技术

近年来，太阳电池产业得到了较大的重视和发展。国际能源署《Technology Roadmaps- Solar Photovoltaic Energy 2010》的研究报告显示，近十年以来，太阳电池装机容量正在以每年大于40%的速率增长。但目前太阳电池市场主要以晶体硅太阳电池为主，份额大于85%，虽然其工艺成熟、性能稳定，但是其价格较高。为了使太阳电池走近千家万户，造福人类，研究和开发低成本、高效率的新一代太阳电池，就具有更为迫切的现实意义。其中减少硅的用量是一个有效的途径，如开发非晶硅、铜铟镓硒、碲化镉等太阳电池，但以上材料的太阳电池发展进入了瓶颈。非晶硅太阳电池的转换效率仅从1997年的12 %，提升至2013年的13.4 %；碲化镉太阳电池的转换效率也只从1993年的16%，提升至2013年的20.4 %；在工业电池组件制造方面，国际能源署的《太阳能光伏路线图》也仅分别将2020年单晶硅、薄膜硅和碲化镉太阳电池的转换效率目标定为23 %、12 %和14 %。

相比于近十年来传统晶体硅和薄膜太阳电池的转换效率增长甚微，钙钛矿型有机铅碘化合物太阳电池的转换效率在最近五年内取得了飞速地发展：自从2009年日本学者Kojima A等人首次报道，通过钙钛矿型有机铅卤化物（CH₃NH₃PbI₃，CH₃NH₃PbBr₃）敏化二氧化钛，获得3.8 %的光电转换效率，到2014年美国《科学》杂志的最新报道显示，钙钛矿型太阳电池的转换效率已提升至19.3 %。

文献中已发表的钙钛矿型有机铅碘化合物太阳电池呈平面堆垛结构。其中，有机铅碘化合物用于吸收入射光并产生光生电子空穴对；在电池一侧，电子传导层（通常为二氧化钛或氧化锌等）用于收集电子，并通过透明导电薄膜（如氧化铟锡（ITO）等）传导至外电路；在电池另一侧，往往采用聚三己基噻吩（P3HT）、2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴（Spiro- OMeTAD）、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩) PEDOT等导电聚合物作为空穴传导层，收集空穴，最终通过金属电极(通常为金、银)传导至外电路。两侧电极以及外电路构成闭合的回路。

钙钛矿材料不仅具有优异的光电性能，而且其材料成本和制造成本低廉：钙钛矿型吸收层材料不含昂贵、稀有元素，也不需要如晶体硅、砷化镓一样的高纯度和苛刻的结晶性，从而降低了电池的材料成本；钙钛矿型太阳电池的材料制备和电池组装在低温条件下即可完成，不需高温扩散等设备和相应的工艺环节，从而降低了制造电池的设备和设备运行的成本，有利于太阳电池的广泛应用。

但是，目前文献报道的钙钛矿型太阳电池是以ITO或FTO为窗口层和导电层，这就限制了电池基底材料的选择。碳纳米管具有优异的电学、光学性能，其载流子迁移率可以达到10⁵ cm²/(V·s)。通过化学气相沉积、抽滤、干纺、热喷涂、辊轧等方法，可以批量制备大面积、均匀的碳纳米管薄膜。二维的碳纳米管薄膜具有很好的透光性和导电性，是ITO或FTO等透明导电薄膜的可替代材料，因此被广泛的应用于光伏、透明显示器件上。Rowell M等人采用单壁碳纳米管薄膜取代聚合物（P3HT:PCBM）太阳电池中的透明电极材料（ITO），获得了与使用ITO电极时几乎相当的光电转换效率；van de Lagemaat J等人采用碳纳米管薄膜作为聚合物（P3HT:PCBM）太阳电池中的透明电极材料，获得较高的转换效率。此外，碳纳米管薄膜与n型晶体硅构成“碳纳米管薄膜-硅异质结太阳电池”，获得了10%~15%的光电转换效率。以上表明碳纳米管薄膜是一种优异的窗口层并可以收集和传导电荷的材料。因此，如果将碳纳米管薄膜作为透明导电薄膜用于钙钛矿型太阳电池的组装，将可拓展电池材料的选择范围、增加电池组装模型的多样性。