[發明專利]基于碳對電極的鈣鈦礦型電池及其制備方法

無效

• 申請號: 201410049008.7
• 申請日: 2014-02-13
• 公開（公告）號: CN103956392A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 楊希川
• 申請（專利權）人: 大連七色光太陽能科技開發有限公司
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/032;H01L31/18
• 代理公司: 大連星海專利事務所 21208
• 代理人: 裴毓英

技術領域

本發明涉及鈣鈦礦型電池技術，尤其涉及一種基于碳對電極的鈣鈦礦型電池及其制備方法。

背景技術

以鈣鈦礦型化合物為吸光材料的薄膜太陽能電池，是繼染料敏化、量子點敏化之后的又一基于納米半導體材料的新型太陽能電池。鈣鈦礦型化合物（如CH₃NH₃PbI₃）具有獨特的光電性能，在液態染敏電池和基于空穴傳輸材料的固態薄膜電池中均表現出優異的光電轉換效率。同時鈣鈦礦晶體材料也具備良好的電子和空穴傳輸性能，這為制備鈣鈦礦型平面異質結太陽能電池提供了基礎。鈣鈦礦型化合物具有合適的能帶結構，較好的光吸收性能，能夠吸收幾乎全部的可見光用于光電轉換。同時該材料具有自主裝性能，所以合成簡易，通過低成本液相法即可實現有效的薄膜沉積。

數十年里，幾乎所有的太陽能技術，如晶體硅和碲化鎘薄膜都經過了一個緩慢的發展過程。但鈣鈦礦型太陽能電池從2009年被首次報道以來，不到5年的時間內，光電轉換效率從最初的3.8%到如今的15%，實現了一個突飛猛進的發展。當其他技術還在為突破12%不斷努力時，鈣鈦礦型太陽能電池已遙遙領先。主要原因就是鈣鈦礦型化合物有近乎完美的結晶度，這是砷化鎵和晶體硅等頂級太陽能電池材料共有的特征。自然界中多數晶體排列充斥著許多瑕疵，當電荷快速通過晶體陷入瑕疵時，它們通常會放棄額外的能量。制造無瑕疵的晶體通常需要超高的溫度，或價值數百萬美元的設備。但是鈣鈦礦型晶體能在80?℃下被制成，并能從溶液中簡單沉淀析出近乎完美的結晶形式。

鈣鈦礦型電池還有另一個價值很高的特性，即產生電壓的效率。例如，在晶體硅太陽能電池中，需要從光子獲得至少1.1電子伏(eV)的能量，從而將一個電子反沖出硅原子的束縛，成為自由電子。然后，電子到達電極，再進入電路，它們的電壓會降至?0.7eV，僅喪失了0.4eV——這也是晶硅電池在商業上取得成功的原因之一。對于傳統的染料敏化太陽能電池（DSSCs）和有機太陽能電池而言，這些損耗約為0.7eV～0.8eV。但是，鈣鈦礦型的損耗僅有0.4eV，與晶硅電池相當。

近年來，太陽能電池價格不斷下降，經過殘酷的商業淘沙，大量相關企業紛紛破產。風險投資公司以及科學基金機構，對支持有機太陽能光伏電板和DSSCs等進展緩慢研究的熱情逐漸冷卻。鈣鈦礦型太陽能電池的異軍突起給研究人員和太陽能電池企業帶來了新的希望。這種電池還有許多改進空間，據估計，明年效率能達到20%。專家認為，鈣鈦礦型太陽能電池還有潛力與硅電池板相結合，制造出效率達30%甚至更高的串聯電池。

目前報道的高效率鈣鈦礦型電池如圖1所示，其結構組成從光陽極到光陰極依次為導電玻璃基底1、TiO₂致密層2、TiO₂/Al₂O₃納米多孔薄膜3、鈣鈦礦型吸光劑薄膜4、空穴傳輸材料5、鍍Au或鍍Ag光陰極6。其原材料成本的大部分來自于空穴傳輸材料和貴金屬Au、Ag。因此，有效地降低生產成本是今后鈣鈦礦型電池在實現工業化生產過程中，急需解決的問題。

發明內容

本發明的目的在于，針對上述現有鈣鈦礦型電池高成本的問題，提出一種基于碳對電極的鈣鈦礦型電池，該電池原料易得、成本、低廉，易于工業化生產。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種基于碳對電極的鈣鈦礦型電池，所述鈣鈦礦型電池光包括平行、順次連接的導電玻璃基底、TiO₂致密層、半導體納米多孔薄膜、鈣鈦礦型吸光劑薄膜和導電碳薄膜。

進一步地，所述導電玻璃為FTO導電玻璃或ITO導電玻璃。

進一步地，所述TiO₂致密層厚度為20?nm?-100?nm，優選為40?nm?-60?nm，本發明構成TiO₂致密層的TiO₂粒度為幾個納米。

進一步地，所述半導體納米多孔薄膜為TiO₂或Al₂O₃納米多孔薄膜，其厚度為200?nm-1000?nm，優選為400?nm?-800?nm，納米顆粒尺寸為10?nm-25?nm。