[发明专利]一种碳对电极及制备方法及钙钛矿太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种碳对电极及制备方法，还涉及使用该碳对电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法。

背景技术

钙钛矿太阳能电池由于其成本低廉、制备工艺简单、光电转化效率较高而受到科研以及产业界的广泛关注。钙钛矿太阳能电池自发展以来已取得较大进展，至今其最高光电转换效率已超过20%。

对电极作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，其性能好坏直接影响到电池的光电转换效率。对电极的主要作用是传导外电路中的空穴，并组成回路，有效地减少电子与空穴的复合，提高空穴的传输效率，同时也可提高钙钛矿太阳能电池对光的利用率。

传统的对电极是金、银等贵金属对电极。虽然金、银等贵金属对电极传导空穴效果很好，但是此类贵金属材料十分昂贵，再加上其制备需要高温或真空等严格的工艺条件以及相应的加工设备，因此工艺复杂、成本高、限制了其大规模的应用。由此，急需发展制备简单、价格低廉的对电极材料，以替代金、银等贵金属材料来推进钙钛矿太阳能电池的广泛应用。

碳材料具有高的电导率、耐热性、耐腐蚀性和稳定性，而且价格低廉、易于制备，因此它被认为是取代贵金属对电极的最佳材料。但是若用单纯的炭黑或石墨对电极，其导电性能较差，将该对电极用于钙钛矿太阳能电池中，光电转换效率也比较低。近年来，通过将不同的碳材料混合来制备对电极，以改善其光电转换效率的研究也越来越多，可参考申请号为201510295741.1的中国发明专利公开《一种钙钛矿太阳能电池用导电碳浆、碳对电极、电池及制备方法》，其中虽然公开了将炭黑和石墨的混合物作为导电碳材料、并与粘结剂和有机溶剂混合，采用丝网印刷方式将导电碳浆制备获得碳对电极。但是，由于该碳浆料非常粘稠，并且其所用的有机溶剂会对钙钛矿太阳能电池造成破坏，因此，在应用到钙钛矿太阳能电池中时，需要首先在导电基底上生成二氧化钛致密层、二氧化钛多孔层及碳对电极，然后经过高温处理使有机溶剂挥发，再在碳对电极上生成钙钛矿吸光层。如此一来，制备工艺复杂，并且需要控制温度在450～500℃左右高温，使得钙钛矿太阳能电池在大规模的产业化推广应用上遇到阻碍。因此，需要对钙钛矿太阳能电池碳对电极作进一步的改进，以使其适合工业生产及应用。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种碳对电极及制备方法及钙钛矿太阳能电池的制备方法，使用该碳对电极的钙钛矿太阳能电池的制备过程中不需要经过高温加工，制作工艺简单，适合大规模生产，可获得较高的光电转换效率。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种碳对电极，包括如下组分：炭黑、石墨、乙基纤维素及有机溶剂，所述的炭黑和石墨总重量为有机溶剂重量的10%~20%；所述的乙基纤维素重量为炭黑和石墨总重量的10~25%；所述的有机溶剂由异丙醇和γ-丁内酯按质量比10:1~10:3混合而成。

在一些实施方式中，炭黑+石墨：乙基纤维素：有机溶剂=2:0.2:12。

在一些实施方式中，所述的炭黑重量占炭黑和石墨总重量的百分比为15%~35%。

一种上述的碳对电极的制备方法，包括以下步骤：

①按重量比称取炭黑、石墨、乙基纤维素、异丙醇及γ-丁内酯，将γ-丁内酯与异丙醇混合配成混合液，将炭黑和石墨溶于混合液中搅拌溶解以制得碳材料混合液；

②先将乙基纤维素用异丙醇溶解，然后加入到步骤①得到的碳材料混合液中，制成高分子纳米粒子混合液；

③将步骤②所得的高分子纳米粒子混合液在25~27℃下搅拌0.5~2小时至混合均匀；

④待搅拌均匀后，将步骤③得到的混合物倒入球磨罐中，持续球磨至混合均匀，得到碳对电极。

一种使用上述的碳对电极的钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

①预处理：依次在导电基底上生成二氧化钛致密层、二氧化钛多孔层及钙钛矿吸光层，然后放在干燥的空气中；

②组装：在步骤①上按照刮涂工艺指标刮涂碳对电极，然后放在在加热板上加热到50~70℃并保温25~35min，即可组装成钙钛矿太阳能电池。

所述的导电基底为导电玻璃或金属基底或掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃。

与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）以炭黑和石墨组成的碳对电极在材料的选择、设计及合成上具有灵活性，并且制备工艺相对比较简单，其组装而成的钙钛矿太阳能电池可获得较高的光电转换效率。