[发明专利]钙钛矿太阳能电池‑超级电容器集成器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能量转化与储存器件技术领域，更具体地，涉及钙钛矿太阳能电池-超级电容器集成器件及其制备方法。

背景技术

太阳能作为一种清洁、环保、廉价、储量丰富的可再生能源，受到人们越来越多的关注。在光热转换、光电转换和光化学转换等太阳能利用方式中，光电转换具有永久性、清洁性、灵活性等特点，为太阳能的大规模利用和存储提供了可能。太阳能光电转换的基本装置是太阳能电池，经过多年的发展，各类太阳能电池都取得了长足的进步。目前，技术上比较成熟的是硅基太阳能电池，其中单晶硅基电池的实验室最高效率可达到24.7％，但硅基电池存在制作成本高、生产过程能耗大、环境污染严重、成本回收时间长等问题，限制了其推广应用。而第二代薄膜太阳能电池技术由于比硅基电池更能容忍较高的缺陷密度而得到了迅猛的发展,但其大规模应用也受制于制造成本高、环境污染严重、稀缺元素不可持续发展等问题。近年来，以染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池为代表的第三代太阳能电池，以成本低廉、原料丰富等优势受到业界关注，发展迅速，其光电转换效率最高已经超过13％，可以和非晶硅基电池相媲美，但仍存在稳定性差、机理复杂、难以大规模生产等诸多问题。

2009年，日本Miyasaka等人在研究敏化太阳电池的过程中，首次使用具有钙钛矿结构的有机金属卤化物CH3NH3PbBr3和CH3NH3PbI3作为敏化剂，拉开了钙钛矿太阳电池研究的序幕。钙钛矿太阳电池自2013年开始迅猛发展。Gratzel等人首次采用两步沉积方法制备钙钛矿薄膜，电池效率达到15％。随后Snaith等采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜，形成了一种全新的平面异质结电池，效率达到15.4％。引起了全世界的瞩目。同样是在2013年，Yang等采用溶液法和蒸发法相结合的方法制备钙钛矿薄膜，所得电池效率为12.1％。2014年初，韩国的KRICT研究所已经将钙钛矿电池的转换效率提升到17.9％。到5月份，Yang等更是通过掺Y修饰TiO2层，将转换效率提升到19.3％。从2009年到2014年的短短5年的时间，钙钛矿太阳电池技术取得了突飞猛进的进展，光电转换效率便从3.8％跃升至19.3％，能量转换效率已经超过了染料敏化太阳电池、有机太阳电池和量子点太阳电池。钙钛矿太阳能电池具有光明的应用前景和巨大的竞争潜力。

稳定的能量输出是决定钙钛矿太阳能电池能否成功应用并最终产业化的最重要原因之一。近年来，太阳能电池逐渐得到了认可，然而实际应用中白天黑夜的循环、气候日照的变化都会导致太阳能电池的能量输出产生剧烈波动。因此，实现太阳能的光电转换与电能及时储存具有非常重要的意义，而光电能量转换与能量储存器件的有效集成将是太阳能电池提供稳定能量输出、推广太阳能电池应用的重要途径。尤其在能量要求不高、户外需要移动充电的柔性可穿戴电子产品上具有非常好的应用前景。超级电容器是具有功率密度高、可快速充放电、循环寿命长、可靠性高等优点的新型储能器件，受到了研究人员的广泛重视。超级电容器在很小体积下就能够达到法拉级电容量；无须特别充电电路和控制放电电路；和锂电池相比，过充、过放都不会对其寿命产生负面影响；从环保角度考虑，它是一种绿色能源。因此，如果能有效集成钙钛矿太阳能电池与超级电容器，将极大促进基于钙钛矿太阳能电池的微能源器件研究，推动相关技术在柔性电子产品上的应用，这也将是今后的发展趋势之一。

随着电子产品的微型化、柔性化发展需求，近年来涌现出各种各样的可穿戴式、可折叠电子产品和移动智能器件如谷歌眼镜、智能手表、健康监视腕带等等。这些柔性电子产品对充电的便携性有了更高要求。例如Sony公司生产的的柔性电子纸和LG公司生产的柔性电子显示屏、丹麦infinityPV公司研发的卷轴式太阳能电池充电宝，其在便携式发电设备概念基础上进一步发展，加入了柔性聚合物太阳能电池，可在冲电后卷起放于保护盒内，尺寸为11.3×3.6×2.8cm，重量仅105g，为IPhone 6充满电只需要2-3小时。因此，开发基于钙钛矿的高效微能源器件，使之能广泛应用于柔性电子产品具有重大意义。然而钙钛矿太阳能电池制备仍涉及高温工艺，无法应用于柔性电子产品，基于钙钛矿太阳能电池的柔性微能源集成化器件制备还需开展深入的研究与探索。

发明内容