一种可拼接的钙钛矿太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种可拼接的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明专利技术基于取向碳纳米管和自修复高分子制备的可拼接电极，制备出具有良好的柔性和光电转换效率的可拼接钙钛矿太阳能电池。自修复高分子可以和氧化铟锡电极间形成较强的氢键作用，使取向碳纳米管和氧化铟锡电极接触并牢固的拼接在一起，实现简便的串联连接，不需借助任何导线或电路。拼接后得到的太阳能电池具有很好的柔性和结构稳定性，可广泛用于柔性器件、可穿戴设备和便携式能源器件等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能电池
，具体涉及。
技术介绍
能源问题被认为是21世纪人类社会面临的最重要的挑战之一。为缓解化石能源的日益枯竭带来的能源短缺，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源受到了广泛的关注和研究。其中，太阳能由于其取之不尽用之不竭的特点，成为了可再生能源中最被看好的能量来源。尽管人们对于各类太阳能电池已经进行了广泛而深入的研究，然而在实际使用中，太阳能电池必须通过导线或电路实现串联以提高输出电压，这极大的提高了生产成本和复杂性，并且可能产生短路等安全问题。尤其当使用在可穿戴设备及柔性电子器件领域，器件整体的柔性将被严重破坏，集成度也将大大下降。因此，设计并实现不需通过外部导线或电路即可实现串联连接的可拼接太阳能电池，对柔性器件、可穿戴设备和便携式能源器件领域而言都有着极其重要的实际意义。钙钛矿太阳能电池是近五年来研究最为广泛的一类新型高性能太阳能电池，它利用一类化学结构为ABXj^钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料，由于这类钙钛矿材料通常具有较高的载流子迀移率和较低的载流子复合率，因此具有较长的载流子的扩散距离和寿命。自从2009年Tsutomu Miyasaka首次将I丐钛矿材料用于制备太阳能电池以来，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经从最初的3.8%提高至接近20%。目前，柔性的钙钛矿太阳能电池也已经被成功制备出来，但是柔性器件的光电转换效率普遍低于刚性基底。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供和应用。本专利技术提供的可拼接的钙钛矿太阳能电池，使用具有可拼接能力的电极，该电极由取向碳纳米管薄膜平铺于自修复高分子膜的表面制备而成。该电极具有良好的电学性质和柔性，可不需借助导线直接进行电极之间的连接。本专利技术提供的可拼接的钙钛矿太阳能电池单元中，其组成结构依次为氧化铟锡电极层、二氧化钛纳米层、钙钛矿层、空穴传输层、由取向碳纳米管薄膜平铺于自修复高分子膜表面而成的复合膜层；多块可拼接钙钛矿太阳能电池单元在边缘处两两叠合连接，组成可拼接I丐钦矿太阳能电池。本专利技术中，自修复高分子和氧化铟锡电极间形成较强的氢键作用，使取向碳纳米管和氧化铟锡电极接触并牢固的拼接在一起，实现简便的串联连接，不需借助任何导线或电路。拼接后得到的太阳能电池具有很好的柔性和结构稳定性。本专利技术还提供上述可拼接钙钛矿太阳能电池的制备方法，具体步骤为: 第一，可自由拼接的平面电极的制备 (I)取向碳纳米管阵列的制备:通过化学气相沉积法合成可纺的多壁碳纳米管阵列。催化剂使用Fe (1-2 nm)/ Al2O3 (8-12 nm)，碳源为乙稀，气相载体为氩气和氢气的混合气体，化学气相沉积得到可纺的碳纳米管阵列； (2 )自修复高分子薄膜的制备:使用的方法是改进后的“ LeibIer ”方法，具体制备的方法为:首先，聚二酸和二乙烯三胺以质量比(0.5-3):1在氩气气氛下120-160 °C加热搅拌12-36小时。产物用氯仿完全溶解，再分别使用与氯仿等体积的去离子水和一半体积的甲醇洗涤，通过旋转蒸发除出溶剂得到自修复高分子； 取自修复高分子溶解于三氯甲烷获得均一溶液，质量:体积为1:10 ;将此溶液滴加于清洁玻璃片上，室温下挥发溶剂0.5-3小时，50-80 0C烘烤15-40分钟蒸干溶剂，即获得自修复高分子薄膜； (3)制备可自由拼接的平面电极:将取向碳纳米管薄膜直接从可纺的碳纳米管阵列中拉出，正交铺排于自修复高分子薄膜上，获得取向碳纳米管/自修复高分子复合膜。第二，可拼接钙钛矿太阳能电池的制备 在氧化铟锡/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底上旋涂Spiro-OMeTAD作为空穴传输层，然后将取向碳纳米管/自修复高分子复合膜贴在空穴传输层上，并使取向碳纳米管与空穴传输层直接接触，即获得可拼接的钙钛矿太阳能电池单元； 其中，在氧化铟锡/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底上旋涂Spiro-OMeTAD空穴传输层的操作过程为: 用丙酮，异丙醇和水分别在超声下清洗氧化铟锡/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底10-30分钟，并以2000-8000转/分钟旋转涂布二氧化钛纳米粒子/乙醇分散液10-50 S。以2000-6000转/分钟旋转涂布PbI2 10-50 s，随后在80 °C保持20-40分钟烘干溶剂。冷却至室温后，将得到的基底浸入5-15 mg mL-1的CH3NH3I/异丙醇溶液中10-60 S，并在80 °C保持20-40分钟，随后以1000-5000转/分钟旋转涂布Spiro-OMeTAD 30-90 s作为空穴传输层，Spiro-OMeTAD 的具体成分为 61.4 mM 2，2’，7，7’ -tetrakis (N, N-d1-p-methoxyphenylamine)-9, 9-spirobifluorene,26 mM lithium bis (trifluoromethylsulfonyl)imide和55 mM 4-tert_butylpyridine溶解氯苯和乙腈的混合溶剂中，其中氯苯和乙腈的体积比为20:lo本专利技术还提供钙钛矿太阳能电池的拼接方法，具体步骤为:将一块可拼接钙钛矿太阳能电池单元的取向碳纳米管/自修复高分子复合膜的取向碳纳米管部分与另一个可拼接钙钛矿太阳能电池单元的氧化铟锡电极面对面放置，沿膜所在平面的垂直方向将两块复合膜相互靠近，并使两块膜边缘处重叠一部分，以实现拼接；如此，根据需要进行多块可拼接钙钛矿太阳能电池单元的串联连接。本专利技术制备的新型太阳能电池单元的串联连接，不需借助任何导线或电路，拼接后到的太阳能电池具有很好的柔性和结构稳定性，可广泛用于柔性器件、可穿戴设备和便携式能源器件等领域。【附图说明】图1为可拼接钙钛矿太阳能电池结构。其中，a为可拼接钙钛矿太阳能电池结构示意图，b为可拼接钙钛矿太阳能电池拼接示意图。图2为可拼接钙钛矿太阳能电池照片。其中，a为可拼接钙钛矿太阳能电池的光学照片，b为两个可拼接钙钛矿太阳能电池拼接后的光学照片。由于下部的电池仅通过可拼接电极的与上部的电池连接，体现出拼接处良好的结构稳定性。图3为可拼接钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压曲线。其中，a为单个可拼接钙钛矿太阳能电池典型的电流密度-电压曲线，b为单个可拼接钙钛矿太阳能电池和两个可拼接钙钛矿太阳能电池拼接后的电流-电压曲线。可以看到单个可拼接钙钛矿太阳能电池，短路电流密度，开路电压和填充因子分别达到15.30 mA cm 2，1.06 V和0.48，光电转换效率达到7.80%ο两个太阳能电池拼接后，开路电压提尚至1.90 V，表明串联拼接的有效实现，而短路电流仅下降了 6.4%，表明拼接连接处中并未出现电阻显著增大的情况。图4为单个可拼接钙钛矿太阳能电池弯曲状态下的光学照片。图5为五个可拼接钙钛矿太阳能电池拼接后的光学照片。【具体实施方式】实施例1 (I)取向碳纳米管阵列的制备:通过化学气相沉积法合成可纺的多壁碳纳米管阵列。催化剂使用Fe (2 nm)/ Al2O3 (10 nm)，碳源为乙稀，气相载体为氩气和氢气的混合气体，化学气相沉积得到可纺的碳纳米管阵列。(2)自修复高分子薄膜的制备:20 g聚二酸和7 g 二乙烯三胺在氩气气氛下160°(:加热搅拌24小时。产物用100 mL氯仿溶解，再分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可拼接的钙钛矿太阳能电池，其特征在于使用具有可拼接能力的电极，该电极由取向碳纳米管薄膜平铺于自修复高分子膜的表面制备而成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，孙浩，丘龙斌，杨嘉桦，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31