一种碳电极介观钙钛矿电池的制备方法及钙钛矿电池、组件、发电系统与流程

1.本发明涉及钙钛矿电池技术领域，具体涉及一种碳电极介观钙钛矿电池的制备方法及钙钛矿电池、组件、发电系统。


背景技术：

2.现有技术中，钙钛矿电池的电极制备方法通常包括如下步骤：
3.步骤s1：在玻璃基底上制备透明导电薄膜；
4.步骤s2:在透明导电薄膜上制备致密电子传输层；
5.步骤s3:在致密电子传输层上制备介孔电子传输层；
6.步骤s4：采用zro在介孔电子传输层上制备zro绝缘层；
7.步骤s5：在铁电间隔绝缘层上制备碳电极；
8.步骤s6:碳电极上制备钙钛矿光吸收层；
9.通过上述方法制备的钙钛矿电池，其中zro绝缘层仅可防止碳电极与电子传输层的直接接触，进而防止漏电抑制光生电子空穴对复合，但是由于传统钙钛矿电池中的钙钛矿内建场较弱，因此传统钙钛矿电池的开路电压较低且其光电转化效率较低。
10.因此，如何提升钙钛矿内建场，进而提升传统钙钛矿电池的开路电压及其光电转化效率成为钙钛矿电池制备技术领域目前亟待解决的难题。


技术实现要素：

11.本发明以增强钙钛矿内建场，进而提升传统钙钛矿电池的开路电压及其光电转化效率为目的，提供了一种碳电极介观钙钛矿电池的制备方法及钙钛矿电池、组件、发电系统。
12.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
13.提供一种碳电极介观钙钛矿电池的制备方法及钙钛矿电池、组件、发电系统，包括：
14.步骤s1：选取fto导电玻璃作为透明导电基底或者选取玻璃基底，在玻璃基底上制备透明导电薄膜，由在玻璃基底与透明导电薄膜组成透明导电基底；
15.步骤s2:在透明导电薄膜上制备致密电子传输层；
16.步骤s3:在致密电子传输层上制备介孔电子传输层；
17.步骤s4：采用无机铁电体在介孔电子传输层上制备铁电间隔绝缘层；
18.步骤s5：在铁电间隔绝缘层上制备碳电极；
19.步骤s6:碳电极上制备钙钛矿光吸收层；
20.步骤s7：对铁电间隔绝缘层施加自钙钛矿光吸收层指向玻璃基底的方向的铁电极化场，施加的铁电极化场的强度大于铁电间隔绝缘层的铁电矫顽场。
21.优选地，步骤s4中，无机铁电体采用pzt。
22.优选地，铁电间隔绝缘层的通过以下步骤制备而得：
23.步骤l1：将pzt粉末研磨得到pzt纳米晶；
24.步骤l2：将pzt纳米晶加入去离子水中并搅拌得到pzt水溶胶；
25.步骤l3：将pzt水溶胶涂覆于介孔电子传输层上，对介孔电子传输层上涂覆的pzt水溶胶进行退火后制成铁电间隔绝缘层。
26.优选地，透明导电薄膜的构成材料为ito锡掺氧化铟、fto掺氟氧化锡、iwo钨掺氧化铟、ico铈掺氧化铟中的一种。
27.优选地，致密电子传输层的构成材料为pcbm、tio2、zno、sno2、h-pdi、f-pdi中的至少一种。
28.优选地，介孔电子传输层的构成材料为pcbm、tio2、zno、sno2、h-pdi、f-pdi中的至少一种。
29.优选地，钙钛矿光吸收层的构成材料为有机无机杂化钙钛矿，其通式为abx3；其中a为ch3nh3+(ma+)、ch(ch2)2+(fa+)、cs+中的至少一种，b为pb2+、sn2+、ge2+中的一种，x为cl-、br-、i-中的至少一种。
30.本发明还提供一种钙钛矿电池，应用如上所述的制备方法制备而成。
31.本发明还提供一种钙钛矿电池组件，由若干个通过上述的制备方法制备而成的钙钛矿电池电性连接构成。
32.本发明还提供一种太阳能发电系统，包括若干个电性连接的如上所述的钙钛矿电池组件。
33.本发明具有以下有益效果：
34.通过采用无机铁电体制备铁电间隔绝缘层并对铁电间隔绝缘层施加铁电极化场，使铁电间隔绝缘层内部的铁电畴定向排列，进而使铁电间隔绝缘层内部形成定向极化电场，通过铁电极化对钙钛矿进行场钝化进而增强钙钛矿内建场；
35.钙钛矿内建场的增强产生了两个有益效果：
36.1、一方面：增强的钙钛矿材料的内建场加剧了钙钛矿pin结内电子、空穴准费米能级的劈裂，使电池的开路电压得到进一步提升；
37.2、另一方面：增强的钙钛矿材料的内建场导致钙钛矿光吸收层7与致密电子传输层3构成的异质结界面的能带弯曲进而提升了光生载流子在异质结界面处的分离与提取的速率；
38.通过钙钛矿内建场的增强实现的电池的开路电压的提升与载流子在的分离与提取速率的提升，解决了现有技术中制备的钙钛矿电池的光电转化效率低下的问题。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本发明提供的制备方法制备的一种碳电极介观钙钛矿电池结构示意图；
41.图2是本发明提供的制备方法制备的一种大面积碳电极介观钙钛矿电池结构示意
图；
42.图3是铁电间隔绝缘层选用pzt、pbtio3、batio3、bifeo3或氧化锆进行制备时，碳电极介观钙钛矿电池的开路电压与载流子分离与提取的速率的实验对比数据。
43.附图标记：1、玻璃基底:2、透明导电薄膜；3、致密电子传输层；4、介孔电子传输层；5、铁电间隔绝缘层；6、碳电极；7、钙钛矿光吸收层；8、激光划线凹槽。
具体实施方式
44.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
45.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
46.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
47.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.实施例1：
49.本发明实施例提供的一种碳电极介观钙钛矿电池的制备方法及钙钛矿电池、组件、发电系统，如图1、2所示，包括：
50.步骤s1：选取玻璃基底1，在玻璃基底1上制备透明导电薄膜2，玻璃基底1上与透明导电薄膜组成透明导电基底；
51.或者直接采用高透射率的fto导电玻璃作为透明导电基底；
52.随后对透明导电基底进行清洗，先用无尘纸蘸乙醇擦拭fto基底表面，再经清洁剂、去离子水、丙酮、乙醇依次超声清洗15-20分钟，进通风烘箱干燥，通o3uv处理20分钟，透明导电基底清洗完毕。
53.步骤s2:在透明导电薄膜2上制备致密电子传输层3；
54.优选tio2作为致密电子传输层3原料。将适量去离子水冷冻成冰待用，通风橱下用移液枪取ticl4均匀滴在冰上，并迅速添加少量去离子水，70℃下搅拌1h待用。将处理好的fto基底贴好高温胶带放置在表面皿中，并浸泡在上述前驱液中，70℃反应1h后完成tio2致密层在fto上的沉积。用n2吹拂tio2薄膜，并在70℃烘干1h得到致密电子传输层3。
55.步骤s3:在致密电子传输层3上制备介孔电子传输层4；
56.优选tio2作为介孔电子传输层4原料。将购买的tio2浆料以一定比例与松油醇混合
得到tio2浆料混合物，采用丝网印刷的方式将tio2浆料混合物印刷于致密层3上，静置30min待tio2浆料混合物的气泡消失后，放在70℃的加热台上烘干；之后置于高温热台上程序升温至500℃并保温20min，自然冷却至室温，得到介孔电子传输层4；
57.步骤s4：采用无机铁电体在介孔电子传输层4上制备铁电间隔绝缘层5；
58.无机铁电体选用pzt，由于pzt的剩余极化强度较高，铁电性较好，且制备成本较低，故优选pzt进行铁电间隔绝缘层5的制备；
59.步骤l1：采用水热法合成pzt粉末，采用球磨机将其研磨成pzt纳米晶；
60.步骤l2：将pzt纳米晶加入去离子水中并搅拌2h使其成为pzt水溶胶；
61.步骤l3：采用slot-die狭缝涂布方法将pzt水溶胶涂覆于介孔电子传输层4上，350℃退火后制成铁电间隔绝缘层5。
62.步骤s5：在铁电间隔绝缘层5上制备碳电极6；
63.在pzt铁电间隔绝缘层5上采用丝网印刷的方式印刷碳浆料，静置10min，于70℃的加热台上烘干，之后置于高温加热台上程序升温至400℃烧结，保温30min后，自然冷却到室温。
64.步骤s6:碳电极6上制备钙钛矿光吸收层7；
65.优选无ma+的有机无机杂化钙钛矿材料fa0.91cs0.09pbi3作为该钙钛矿太阳能电池的光吸收层。首先进行fa0.91cs0.09pbi3前驱液的配置，将pbi2；fai；csi按1:0.91:0.09的化学配比加入体积比4.75:1的dmf/dmso混合液中，至溶液浓度为1.25mol/l，再向溶液中加入macl至其浓度为23mol％，以稳定钙钛矿成相。其次进行钙钛矿前驱液的填充。采用高温胶带将电池非填充区覆盖，采用移液枪将钙钛矿前驱液填充进电池中，160℃退火10-15分钟完成钙钛矿光吸收层7的制备。
66.步骤s7：对铁电间隔绝缘层5进行极化；
67.对铁电体进行极化通过对其施加电场的方法来实现，由于恒流源施加电场方法简单，速度快，设备成本低，因此对铁电间隔绝缘层施加电场采用恒流源施加电场的方式；
68.利用恒流电压源对铁电间隔绝缘层5施加方向从钙钛矿光吸收层7指向透明导电基底的垂直于钙钛矿电池表面的正向铁电极化场，施加的外加电场大于pzt的铁电矫顽场，使得铁电间隔绝缘层5被极化。
69.实施例2：
70.实施例2与实施例1的区别在于实施例1中步骤s4中无机铁电体选用的是pzt，实施例2中的s4中的无机铁电体选用pbtio3、batio3或bifeo3中的任意一种，其中batio3的铁电性较弱，场钝化效果不如pzt；bifeo3虽然拥有很强的铁电极化强度，但是由于制备纯相的bifeo3十分困难，因此通常在bifeo3陶瓷中测得的铁电极化也很弱，因此bifeo3场钝化效果也很弱；pbtio3相较batio3或bifeo3有更强的铁电性，场钝化效果与pzt相差不大；图3为铁电间隔绝缘层选用pzt、pbtio3、batio3、bifeo3或氧化锆进行制备时，碳电极介观钙钛矿电池的开路电压与载流子分离与提取的速率的实验对比数据。
71.实施例3：
72.实施例3与实施例1的区别在于步骤s7，实施例3中的s7的特征在于：
73.步骤s7：对铁电间隔绝缘层5进行极化；
74.对铁电体进行极化通过对其施加电场的方法来实现，由于利用pfm对铁电体施加
电场实现的极化效果更好，但是耗费时间长，设备投资大，因此对极化效果要求更高的情况下对铁电间隔绝缘层施加电场的过程利用pfm进行；
75.利用pfm对铁电间隔绝缘层5施加方向从钙钛矿光吸收层7指向透明导电基底的垂直于钙钛矿电池表面的正向铁电极化场，施加的外加电场大于pzt的铁电矫顽场，使得铁电间隔绝缘层5被极化。
76.实施例4：
77.实施例4与实施例2的区别在于步骤s7，实施例2中的s7的特征在于：
78.对铁电体进行极化通过对其施加电场的方法来实现，由于利用pfm对铁电体施加电场实现的极化效果更好，但是耗费时间长，设备投资大，因此对极化效果要求更高的情况下对铁电间隔绝缘层施加电场的过程利用pfm进行；
79.利用pfm对铁电间隔绝缘层5施加方向从钙钛矿光吸收层7指向透明导电基底的垂直于钙钛矿电池表面的正向铁电极化场，施加的外加电场大于pzt的铁电矫顽场，使得铁电间隔绝缘层5被极化。
80.需要进行大面积碳电极介观钙钛矿电池的制备时，在实施例1、实施例2、实施例3与实施例4中选取任一实施例，在该实施例中的步骤s1之后在透明导电基底的透明导电薄膜2上进行激光划线切割，形成激光划线开槽8，随后自该实施例中的s2开始顺次进行实施得到被激光划线开槽8隔绝开的多个碳电极介观钙钛矿电池单元，相邻的碳电极介观钙钛矿电池单元通过碳电极串联连接构成大面积钙钛矿电池模组。
81.本发明还提供一种钙钛矿电池，应用如上所述的制备方法制备而成。
82.本发明还提供一种钙钛矿电池组件，其特征在于，由若干个通过上述的制备方法制备而成的钙钛矿电池电性连接构成。
83.本发明还提供一种太阳能发电系统，包括若干个电性连接的如上所述的钙钛矿电池组件。
84.需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本技术说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。