一種含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池及其製備方法與流程
2024-03-30 18:32:05
本發明涉及材料科學技術、薄膜製備技術和太陽電池製備技術領域，特別是涉及一種鈣鈦礦電池及其製備方法。
背景技術：
伴隨著能源枯竭以及環境汙染問題越來越嚴重，太陽能電池等清潔能源的利用是歷史發展的趨勢，也是目前研究的熱點。近年來，鈣鈦礦結構的有機-金屬滷化物作為一種光吸收材料，因其優異的性質引起光伏界的極大關注並獲得了迅猛的發展，目前該類型電池效率已超過20％。傳統的鈣鈦礦電池是由透明導電基底、半導體電子吸收層、鈣鈦礦膜、空穴傳輸層、陰極導電層組成。其中，空穴傳輸層主要是Spiro-MeOTAD及其衍生物等、陰極導電層主要是Ag、Au等貴金屬。這兩層物質使得鈣鈦礦電池製備成本昂貴、穩定性差並且不利於連續化的生產。因此製備碳電極鈣鈦礦太陽能電池是該類電池工業化生產的趨勢。
目前製備的碳電極鈣鈦礦主要有兩種方法。第一種通過改變碳漿的組成，主要是改變炭黑和石墨的比例以及兩種物質的尺寸來增強碳漿與鈣鈦礦的接觸面積。通過增大接觸面積促使激子分離產生的空穴及時傳遞到電極上，避免電子和空穴的複合。但是從微觀角度看，碳電極與鈣鈦礦之間仍舊是點面接觸，接觸面積仍然較小。並且碳漿中的溶劑會對鈣鈦礦薄膜有一定的腐蝕作用，直接影響到電池的性能。第二種是通過在製備多孔電子傳輸層、碳漿，從碳漿上方滴入鈣鈦礦溶液，使得在電子傳輸層與碳漿之間浸滿鈣鈦礦溶液，然後通過慢速加熱使溶劑揮發鈣鈦礦結晶。這種多孔結構的碳電極鈣鈦礦電池，碳電極與鈣鈦礦之間的接觸面積較大，但是該種方法重複性較差，不適合大面積生產。而且多孔結構內部鈣鈦礦溶液的溶劑揮發後產生的孔隙，很容易使空氣中的水和氧等進入，影響電池的穩定性。因此，目前的方法在防止電極表層導電漿料中溶劑腐蝕以及空氣中氧和水分子進入腐蝕鈣鈦礦方面仍有缺陷。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池及其製備方法，以解決上述技術問題。本發明在製備完成的鈣鈦礦薄膜或者是無機空穴傳輸層上，製備一層防滲透碳薄膜，與傳統的陰極導電層結合。將在製備好透明導電基底、半導體電子吸收層、鈣鈦礦膜、(空穴傳輸層)後，利用相關技術方法，慢速的在鈣鈦礦薄膜表面沉積一層全覆蓋薄膜，並在其上塗覆陰極導電漿體或者熱壓陰極導電膜。該類全覆蓋防滲透碳薄膜能夠良好阻絕陰極導電漿體中溶劑滲入，並且完成電池製備後，還能起到防止空氣中的水分子和氧等通過陰極破壞鈣鈦礦或者是無機空穴傳輸層；為製備出高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池打下良好基礎。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池，包括依次疊層設置的透明導電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦膜、防滲透碳薄膜和陰極導電層；或者包括依次疊層設置的透明導電基底、電子傳輸層、鈣鈦礦膜、空穴傳輸層、防滲透碳薄膜和陰極導電層。
進一步的，所述防滲透碳薄膜為碳碳之間以SP2鍵結合為主的導電碳相的薄膜組成，導電碳相的薄膜為石墨薄膜、類石墨薄膜、炭黑薄膜、納米碳薄膜、石墨烯薄膜中一種或者多種疊層設置構成。
進一步的，所述防滲透碳薄膜的為沒有貫穿孔洞、能夠防液相或氣相分子滲透的碳膜，。
進一步的，防滲透碳膜的厚度為5nm-10μm。
進一步的，鈣鈦礦電池製備完成後防滲透碳薄膜在鈣鈦礦膜表面形成全覆蓋。
一種含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池的製備方法，包括以下步驟：
1)、在透明導電基底上，依次製備電子傳輸層和鈣鈦礦膜；
2)、在鈣鈦礦薄膜上製備鈣鈦礦薄膜的空穴傳輸層；
3)在空穴傳輸層上製備一層完全覆蓋的防滲透碳薄膜；
4)、在防滲透碳薄膜上製備陰極導電層；
5)、獲得含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池。
一種含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池的製備方法，包括以下步驟：
1)、在透明導電基底上，依次製備電子傳輸層和鈣鈦礦膜；
2)、在鈣鈦礦薄膜上製備一層完全覆蓋鈣鈦礦薄膜的防滲透碳薄膜；
3)、在防滲透碳薄膜上製備陰極導電層；
4)、將步驟3)製備好的電池放置在熱板上，加熱使溶劑揮發；獲得含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池。
進一步的，防滲透碳薄膜是利用真空蒸鍍、磁控濺射或離子鍍的方法製備而成。
進一步的，透明導電基底為ITO、FTO、ATO或透明金屬電極；電子傳輸層的材質為TiO2、摻雜TiO2、ZnO、Al2O3、CdS、富勒烯及其衍生物；鈣鈦礦薄膜為ABXxY3-x，A為MA，FA、5-AVA或CS；B為Cu、Ni、Fe、Co、Mn、Cr、Cd、Sn、Pb、Pd、Ge、Eu或Yb；X、Y為I、Br或Cl；陰極導電層為碳漿、銀漿或鋁膜。
進一步的，鈣鈦礦膜與防滲透碳薄膜之間設有一層空穴傳輸層，所述空穴傳輸層是無機空穴傳輸層，材質為NiO、CuI或CuSCN。
進一步的，在防滲透碳膜上通過絲網印刷、刮塗將陰極導電間漿體塗覆或者直接將鋁膜貼在防滲透碳膜上形成良好的接觸。
所述的防滲透碳膜電阻率小於102Ω·cm，便於空穴在薄膜上的傳輸，減少電子空穴複合。
所述的防滲透碳膜全覆蓋在鈣鈦礦或者是無機空穴傳輸層上。接觸面積增加很多，減少了空穴傳輸距離，進而降低電子空穴的複合機率。
所述的防滲透碳膜製備過程中，應在壓力小於10-2Pa，在鈣鈦礦或者是空穴傳輸層表面製備一層碳膜。如果真空度較低，碳原子在到達基體前，與空氣分子的大量碰撞，使得能量降低，不能很好的在基體上形核。
所述防滲透碳膜製備過程中，在小於1nm/s的速度下在鈣鈦礦或者是空穴傳輸層表面形成。速度過快，碳原子在未達到基體之前相互碰撞形成顆粒尺寸較大的原子團，造成基體上薄膜質量較差。
陰極導電漿體乾燥過程中，與鈣鈦礦接觸的全覆蓋防滲透碳膜能夠防止陰極導電漿體中溶劑在加熱的過程中向下滲透到鈣鈦礦薄膜或空穴傳輸層上，破壞下層電池結構，進而影響電池的性能。
相對於現有技術，本發明具有以下有益效果：
本發明在鈣鈦礦或者是無機空穴傳輸層表面製備一層防滲透碳薄膜，該層碳膜的存在首先可以保證了碳電極與鈣鈦礦完全的接觸，較少電子和空穴複合；同時該層防滲透碳薄膜的存在還可以避免陰極導電漿體中溶劑和空氣中的水分子等透過破壞鈣鈦礦薄膜或者空穴傳輸層，進而影響電池性能。
防滲透薄膜與鈣鈦礦薄膜之間結合良好，鈣鈦礦薄膜內進行在長期服役條件下發生晶型、晶粒尺寸的變化時，防滲透碳膜仍然能夠在鈣鈦礦表面實現全覆蓋，仍然能夠起到防滲透的作用，實現鈣鈦礦太陽能電池的長期高效穩定。
電池製備完成後防滲透碳薄膜在鈣鈦礦表面形成全覆蓋，使得分離的空穴能夠以最短路徑導出，減少電子空穴複合機率，提高鈣鈦礦太陽能電池的效率。
防滲透碳薄膜的是沒有貫穿孔洞的碳膜，因此具有防液相或氣相分子滲透功能。在製備過程中。防滲透碳膜可阻擋表層導電漿料塗覆過程中的溶劑滲入從而避免溶劑滲入對鈣鈦礦膜的破壞作用，且在電池製備完成之後可阻擋氧氣和水分子滲入從而防止鈣鈦礦膜的破壞，使得電池保持高效穩定。
在防滲透碳膜上通過絲網印刷、刮塗將陰極導電間漿體塗覆或者直接將鋁膜貼在防滲透碳膜上形成良好的接觸，便於進入防滲透碳膜的空穴及時引出。
附圖說明
圖1(a)為對比例電池斷面局部放大5000倍的示意圖，圖1(b)為對比例電池斷面局部放大30000倍的示意圖；
圖2(a)為實施例電池碳膜表面形貌放大5000倍的示意圖，圖2(b)為實施例電池碳膜表面形貌放大30000倍的示意圖，圖2(c)為實施例電池斷面局部放大5000倍的示意圖，圖2(d)為實施例電池斷面局部放大30000倍的示意圖。
具體實施方式
對比例
1、在ITO基體上，依次製備緻密TiO2電子傳輸層、FAPbI3鈣鈦礦薄膜。在鈣鈦礦薄膜上用刮刀法刮一層厚度約15μm的商業碳漿。
2、將製備好的電池放置在熱板上加熱15min，使溶劑揮發。測試並記錄電池斷面形貌如圖1(a)、圖1(b)所示可以看出鈣鈦礦表面被碳漿中的溶劑腐蝕較嚴重，鈣鈦礦原本緻密平整的形貌被改變。
實施例1
1、在ITO基體上，依次製備緻密TiO2電子傳輸層、FAPbI3鈣鈦礦薄膜。
2、在鈣鈦礦薄膜上利用磁控濺射的方法在鈣鈦礦薄膜上製備厚度為100nm的均勻緻密石墨薄膜。碳膜顏色為一層非常淺的灰色。
3、在緻密的石墨薄膜上，用刮刀法刮一層厚度約15μm的商業碳漿。
4、將製備好的電池放置在熱板上，加熱15min，使溶劑揮發。測試並記錄碳膜表面形貌如圖2(a)、圖2(b)，電池斷面形貌如圖2(c)、圖2(d)所示，可以看出在鈣鈦礦和碳電極之間有一層均勻緻密的碳膜，鈣鈦礦形貌被保持完整，沒有發生腐蝕。
實施例2
1、在FTO基體上，依次製備緻密TiO2電子傳輸層、FAPbI3鈣鈦礦薄膜和空穴傳輸層。
2、在空穴傳輸層上利用磁控濺射的方法在鈣鈦礦薄膜上製備厚度為5nm的均勻緻密納米碳薄膜。
3、在緻密的納米碳薄膜上，用刮刀法刮一層厚度約15μm的商業碳漿。
4、將製備好的電池放置在熱板上，加熱15min，使溶劑揮發，獲得含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池。
實施例3
1、在ITO基體上，依次製備緻密TiO2電子傳輸層、FAPbI3鈣鈦礦薄膜。
2、在鈣鈦礦薄膜上利用磁控濺射的方法在鈣鈦礦薄膜上製備厚度為5μm的均勻緻密納米碳薄膜和5μm的均勻緻密石墨烯薄膜。
3、在緻密的納米碳薄膜上，用刮刀法刮一層厚度約15μm的商業碳漿。
4、將製備好的電池放置在熱板上，加熱15min，使溶劑揮發，獲得含防滲透碳薄膜的高效穩定鈣鈦礦電池。