[发明专利]一种树枝状复合光阳极的钙钛矿太阳能电池及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏材料领域，特别涉及一种钙钛矿型太阳能电池及制备方法。

背景技术

随着化石燃料的日趋减少，太阳能作为一种新能源，已成为人类使用能源的重要组成部分，并还在不断地发展。2013年10月，英国牛津大学的一项研究表明，由钙钛矿的复杂晶体制成的太阳能电池有效转换率高达13%，而且这种电池的发展趋势会越来越好。专家认为，这种电池还有许多改进空间，2014年转换效率能达到20%。钙钛矿太阳能电池还有潜力与硅电池板相结合，制造出效率达30%甚至更高的串联电池。钙钛矿太阳能电池是由钙钛矿作为吸收层而命名的，它由染料敏化电池发展而来。其中，钙钛矿材料起着十分重要的作用，钙钛矿晶体为ABX₃结构，一般为立方体或八面体结构，晶体结构稳定，钙钛矿材料的禁带宽度在1.5eV附近，在可见光区域 400-800nm吸收能力较好。然而，目前的电池结构在接受太阳光辐照下时，光子在电池的厚度方向运动，被吸收层捕获效率低，增加光子在电池中的运动路径，能增加光子被捕获的概率，提高效率。所以，可以通过改变电池的结构提高电池的光电转换效率。

为了提高钙钛矿太阳能电池对太阳光的吸收，提高光电转化效率。现有技术中，中国专利公开号104409636A公开了一种带有三维有序介孔支架层的钙钛矿薄膜太阳能电池。电池以三维有序介孔材料作为电子传输通道更加畅通， 充分发挥平面异质结与介孔体相异质结各自的优点， 避免其各自的缺点。然而，制备这种结构需要水溶性胶体晶模板微球，微球的尺寸决定了颗粒的尺寸，微球一般有很多缺陷，这些缺陷会残留在三维有序介孔支架层和钙钛矿层之间，产生缺陷，严重影响了电池光电转换的稳定性，造成电池效率不均一，重复性差；而且水溶性胶体晶模板微球的成本高，也无疑提高了电池大规模应用的成本。

中国专利公开号101969109A公开了一种树枝状二氧化钛纳米管阵列电极的制备工艺，采用阳极氧化法， 以钛箔作阳极， 氟化铵、 乳酸和二甲亚枫混合液作电解质制备TNTs ； 然后， 采用低温液相法以盐酸和 TTIP 水溶液为生长液， 在上述预制备的 TNTs 上生长出形似树枝的 TBT，即得到所需 TBNT；再以 TBNT 为原料装配成染料敏化电池、 光电化学电池、 光催化等器件的工作电极。该方法增大了比表面积并且制备工艺成本低廉、 工艺简单、 易于产品化。但是，该专利公开的方案中先制备小纳米颗粒的种晶材料作为寄宿骨架 ，然后再在骨架上生长出更细小纳米颗粒，树枝状的材料都是TiO₂材料，能级与吸收层的能级差大，电子传输存在势垒，载流子容易复合。

此外，中国专利公开号104183704A公开了一种量子点共敏化型钙钛矿太阳能电池的制备方法，将具有条件的半导体材料作为量子点吸收剂与具有可见光吸收特性的钙钛矿相结合，达到扩展或增强钙钛矿吸光范围、同时提高钙钛矿太阳能电池光电转化效率的目的。然而，专利公开的方案中，简单地在光阳极TiO₂上先用连续离子层吸附反应法制备量子点，再在其上覆盖钙钛矿层。这种工艺容易造成三种界面：光阳极/量子点界面；量子点/钙钛矿界面和光阳极/钙钛矿界面，这些界面存在更多的晶界缺陷，将引入复合中心，并且分布不均匀，导致电池不同区域对太阳光的吸收不均匀，最终导致电池效率不均一。

综上所述，现有制备的钙钛矿太阳能电池技术中还没有一种树枝状复合材料结构的钙钛矿太阳能，即在外形上具有获得仿植物的树枝交错结构，也在能带也可以增加对太阳光不同波段光谱的吸收，充分的利用不同半导体材料的吸收域配合，获得高效率的电池。

发明内容

为了解决上述的不足和缺陷，本方案中光阳极采用模拟自然树枝结构，太阳光在进入电池后，增加太阳光的路径，增加吸收层对太阳光的吸收，从而提高光电子转化率，而且提高材料与钙钛矿结构层的接触面积，并且利用了钙钛矿可以作为空穴传输层的优势，提高光空穴分离的效率，从而提高电池的光电转换效率。接枝的材料还补充对太阳光紫外波段的吸收，提高电池对太阳光谱的吸收效率，而且复合光阳极中硫化物半导体的导带比TiO₂高，降低电子在光阳极上收集势垒，提高电子空穴分离效率，进一步提高光电子转化率。

一方面，本发明提供了一种钙钛矿型太阳能电池，其特征在于，所述钙钛矿型太阳能电池按照下述顺序由透明导电基底、树枝状复合光阳极，致密钙钛矿吸光层和金属电极层组成，其中，所述树枝状光阳极由树枝状TiO₂纳米棒接枝硫化物半导体纳米棒组成。

优选的，所述树枝状复合光阳极的厚度为500-1500nm。