[发明专利]钙钛矿柔性太阳电池与锂硫电池的集成自充电系统及其制备

说明书

本发明为一种钙钛矿柔性太阳电池与锂硫电池的集成自充电系统及其制备方法，系统包括钙钛矿柔性太阳电池与锂硫电池；钙钛矿柔性太阳电池包括依次设置的柔性衬底、透明导电层和若干钙钛矿电池单元，钙钛矿电池单元包括依次设置的电子传输层、钙钛矿层和空穴传输层；各钙钛矿电池单元为串联关系；最后一个钙钛矿电池单元的正电极作为钙钛矿柔性太阳电池的正电极；第一个钙钛矿电池单元的负电极作为钙钛矿柔性太阳电池的负电极；锂硫电池包括正极、负极和固体电解质，正极与正电极电连接，负极与负电极电连接，形成回路。本发明能够提高自充电系统的集成度、整体效率和稳定性。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及太阳能电池与锂硫电池的集成，特别涉及一种钙钛矿柔性太阳电池与锂硫电池的集成自充电系统。

背景技术

太阳能是最具潜力的清洁能源，如果能充分利用太阳能就可以很大程度代替传统火力发电技术，减缓温室效应，实现可持续发展。但能源供应需要有一个稳定的输出，如果只使用太阳电池是很难实现稳定的能源供应，所以将太阳电池与存储设备结合就具有广阔的应用市场。本发明是将钙钛矿太阳电池与锂硫电池集成到一块，当钙钛矿层暴露在光照环境下，钙钛矿层会通过吸收光子产生光生电子与空穴，电子会聚集在ITO负极区的电极，通过外接导线将电子传输到锂硫电池中，空穴会通过钙钛矿太阳电池的顶部电极，传输到锂硫电池中，以此推动锂硫电池中的Li₂S转换S₈和Li，实现电能转换为化学能的存储，此为具体的光充电过程。放电时S₈和Li转换为Li₂S，此过程将化学能转换为电能，从而实现稳定的能源供应。由于使用的是柔性衬底，还可以将自充电系统做成柔性可穿戴设备，可以在复杂工作环境下提供稳定的能源供应，进而使得自充电系统的应用市场更加宽广。随着钙钛矿太阳电池的发展，已经研究出多种钙钛矿太阳电池与储能电池的自充电系统，例如：1.将多个单结钙钛矿太阳电池串联，构成自充电系统中的充电模块，在光照下钙钛矿层产生的光生电子和空穴通过与电极相连的导线，传输到锂电池的正负极，完成光充电；2.钙钛矿与锂电池(使用液体电解质)集成的自充电系统，钙钛矿在其中作为光电极，当光电极处于光照条件下时，钙钛矿基体产生的光生电子会被ITO透明电极衬底收集，通过外部电路移动到负极，而光生空穴会排斥锂离子并将其从钙钛矿基体驱逐，锂离子最后会移动到负极获得电子变为锂原子，从而完成光充电过程；3.使用单节钙钛矿太阳电池与锂硫电池串联的自充电系统，钙钛矿层产生的光生电子和空穴会被透明导电氧化物基板和背电极的收集，通过导线到直流升压器进行升压，最后在通过导线将电子和空穴输送到锂硫电池完成光充电。

首先，使用导线串联钙钛矿太阳电池来构成的充电模块，会导致系统整体使用的导线过多，在能量传输的过程中就会产生大量浪费，而且这样的串联方式会导致钙钛矿太阳电池的输出电流大幅减小，扩大了自充电系统的规模，不利于便携式应用。其次，钙钛矿与锂电池(使用液体电解质)集成的自充电系统，由于钙钛矿做为光电极与隔膜相邻，所以极易发生液体电解质的物质扩散到钙钛矿中导致钙钛矿结构被分解的问题，这使得系统的稳定性和使用寿命都受到了很大程度的限制。再有，使用单节钙钛矿太阳电池与锂硫电池串联的自充电系统，与串联钙钛矿做自充电模块类似，该系统在能量传输过程中依然会导致许多浪费，其使用的直流升压模块还提高了整体自充电系统的复杂程度，进而使得系统的生产成本变高。最后，上述所有技术都是在刚性衬底上制造的自充电系统，不能实现自充电系统的柔性应用，这使得自充电系统的应用场景受限，不利于市场应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种钙钛矿柔性太阳电池与锂硫电池的集成自充电系统，以提高自充电系统的集成度、整体效率和稳定性；主要解决如下四个技术问题的其中之一或者几个：1.传统的自充电系统的集成度低，不利于便携式应用；2.单结钙钛矿太阳电池的输出电压与储能设备的电压匹配；3.在集成钙钛矿和储能器件时，储能器件内的电解液中物质扩散到钙钛矿中导致钙钛矿部分的分解，从而影响整体自充电系统的稳定性；4.基于钙钛矿太阳电池的自充电系统存储效率低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：