一種可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及為一種可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是綠色無污染的可再生能源，太陽能電池是利用太陽能最主要的形式。傳統(tǒng)的硅基太陽能電池長期被認(rèn)為是效率最高的太陽能電池。但是由于其價(jià)格昂貴，且只能制備剛性電池的缺點(diǎn)，限制了其廣泛的應(yīng)用[1’2]。另一方面，聚合物太陽能電池具有制備工藝簡單和具有柔性等優(yōu)勢，然而效率往往較低近年來，發(fā)展出了一種新型的鈣鈦礦太陽能電池。它同時(shí)具備了低成本和高效率優(yōu)勢。許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用[58]。隨著光電轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，人們致力于將其賦予柔性的特征以滿足實(shí)際應(yīng)用。此外，線狀太陽能電池最近成為了科學(xué)界的一個(gè)研究熱，主要是因?yàn)榫€狀電池的可編織性，可以讓太陽能電池編織成任意的形狀，從而進(jìn)一步拓寬太陽能電池的應(yīng)用范圍。
[0003]然而在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要克服應(yīng)力造成的器件損壞。因此，制備具有可拉伸性能的太陽能電池是十分必要的。而鈣鈦礦電池全固態(tài)的特性又十分有利于實(shí)際應(yīng)用。目前，還沒有纖維狀全固態(tài)太陽能電池的相關(guān)研究。這是由于鈣鈦礦本身相對剛性的特征限制了平面狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池的研究。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)彈簧狀的光陽極纖維，實(shí)現(xiàn)了太陽能電池的可拉伸性，為制備其他彈性電子器件提供了新思路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
[0005]本發(fā)明提供的可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池，以生長有二氧化鈦納米管陣列的卷曲為彈簧狀的鈦絲作為工作電極，其上分別沾涂包裹有鈣鈦礦和空穴傳輸層；以包裹有取向碳納米管的橡膠纖維作為導(dǎo)電對電極，置于彈簧狀的工作電極中間形成同軸結(jié)構(gòu)；在最外層包裹有一層碳納米管薄膜。該線狀鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)參見圖1a所示。從圖1b-1f中可以看出，各層表面平整，并且各層間緊密接觸。
[0006]由于彈簧狀的工作電極和彈性導(dǎo)電纖維的可拉伸性質(zhì)，賦予了整個(gè)電池具有一定的可拉伸性。該電池能夠在外力作用下，最大拉伸30%，并在撤去外力后保持原始形狀和長度。并且拉伸250個(gè)循環(huán)后性能保持穩(wěn)定。
[0007]本發(fā)明提供的可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，具體步驟為:
(1)彈性導(dǎo)電對電極的制備
首先把聚二甲基硅氧烷的預(yù)聚液混合注入到直徑均勻的熱縮管中，固化得到彈性纖維；再將其固定到兩個(gè)轉(zhuǎn)速一致的馬達(dá)上，從放置在平移臺上的取向碳納米管陣列中拉出可紡碳納米管薄膜，以一定角度(例如30-75度)固定在彈性纖維上；同時(shí)開啟馬達(dá)和平移臺，通過控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速和平移臺移動速度，使纖維上的纏繞角度保持不變；
(2)彈簧狀工作電極的制備首先將鈦絲纏繞在一根鐵絲上形成螺旋狀，再通過陽極氧化的方法，在鈦絲表面生長取向二氧化鈦納米管陣列，再通過四氯化鈦處理；處理后的鈦絲分別沾涂上鈣鈦礦層和空穴傳輸層，得到工作電極；
(3)電池的組裝
首先將彈性導(dǎo)電對電極放入彈簧狀工作電極中，形成同軸結(jié)構(gòu)，然后在外面纏繞取向碳納米管薄膜，即得到可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池。
[0008]本發(fā)明研究了不同長度二氧化鈦納米管陣列的光陽極對可拉伸線狀鈣鈦礦太陽能電池光伏性能的影響。結(jié)果(如圖2a)顯示，當(dāng)二氧化鈦管長度從0.4 μπι增加到1.3μπι時(shí)，電池的短路電流，開路電壓和填充因子明顯增加，最高的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1.01%。當(dāng)進(jìn)一步增加二氧化鈦納米管的長度時(shí)，由于填充因子的下降，電池效率呈現(xiàn)下降的趨勢。同時(shí)，本發(fā)明也研究了該可拉伸電池在多次拉伸情況下的廣電性能，見圖2b所示，可以看出，在拉伸250個(gè)循環(huán)后，光電轉(zhuǎn)換效率仍然能夠保持在80%以上，體現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步研究了這種全固態(tài)太陽能電池在不同光照角度下的性能，參見圖2c，可以看出，電池的光電轉(zhuǎn)換性能在各個(gè)光照角度下基本保持不變，這得益于電池纖維狀的結(jié)構(gòu)。圖2d進(jìn)一步測試這種電池在串聯(lián)和并聯(lián)情況下的性能，參見圖2d，當(dāng)3個(gè)電池分別串聯(lián)和并聯(lián)時(shí)，電池的開路電壓和短路電流能夠相應(yīng)的增加，以滿足給不同能量存儲設(shè)備充電的需求。
【附圖說明】
[0010]圖1為纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池制備過程圖示。其中，a為纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池制備的示意圖。b為陽極氧化后二氧化鈦納米管陣列掃描電子顯微鏡圖片。c為鈣鈦礦層的掃描電子顯微鏡圖片。d為空穴傳輸層的掃描電子顯微鏡圖片。e為彈性導(dǎo)電纖維表面碳納米管的掃描電子顯微鏡圖片。f為纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池的掃描電子顯微鏡照片。
[0011]圖2為纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池性狀圖示。其中，a為以不同長度二氧化鈦納米管制備的纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池的光伏特性曲線。b為纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池在拉伸30%的條件下拉伸250個(gè)循環(huán)光電轉(zhuǎn)換效率變化情況。c為不同光照角度對光電轉(zhuǎn)換效率的影響。d為纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池在串聯(lián)和并聯(lián)情況下的光伏特性曲線。
[0012]圖3為可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
[0014]第一，彈性導(dǎo)電對電極的制備
首先把聚二甲基硅氧烷的預(yù)聚液混合均勻，注入到直徑為2微米的熱縮管中，在80攝氏度的條件下固化2小時(shí)，得到彈性纖維。再將其固定到兩個(gè)轉(zhuǎn)速一致的馬達(dá)上，從放置在平移臺上的取向碳納米管陣列中拉出可紡碳納米管薄膜，以一定角度(例如30-75度)固定在彈性纖維上。同時(shí)開啟馬達(dá)和平移臺，通過控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速和平移臺移動速度，使纖維上的纏繞角度保持不變，從而得到電學(xué)性能穩(wěn)定的可拉伸的彈性導(dǎo)電纖維。
[0015]第二，彈簧狀工作電極的制備
首先將250微米的鈦絲纏繞在約2微米的一根鐵絲上形成螺旋狀，再通過陽極氧化的方法，在鈦絲表面生長取向二氧化鈦納米管陣列。將陽極氧化后的鈦絲在500攝氏度下退火一小時(shí)。二氧化鈦管從金紅石型轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦礦。冷卻至室溫后進(jìn)一步在四氯化鈦水溶液進(jìn)行表面處理并再次在450攝氏度下退火，使工作電極表面吸附大量的二氧化鈦粒子。處理后的鈦絲沾涂CH3NH3PbI3 XC1X溶液，在100攝氏度的溫度下烘干5分鐘。重復(fù)沾涂鈣鈦礦溶液三次后，在100攝氏度下煅燒2小時(shí)，得到彈簧狀工作電極(即光陽極)。
[0016]第三，電池的組裝
將制備好的彈性導(dǎo)電纖維放入彈簧狀的光陽極中，再將其固定在轉(zhuǎn)速一致的兩馬達(dá)上，用上述相同的方法再次纏繞一次碳納米管薄膜，完成一個(gè)纖維狀可拉伸鈣鈦礦太陽能電池的制備。
[0017]參考文獻(xiàn)
[1]J.A.Rogers, T.Someya, Y.Huang, Science, 2010, 327, 1603.[2]0.Schultz, S.ff.Glunz, G.P.ffilleke, Prog.Photovoltaics Res.App1., 2004, 12, 553.[3]Z.C.He, C.M.Zhong, S.J.Su, M.Xu, H.B.ffu, Y.Cao, Nat.Photonics, 2012, 6, 591.[4]C.C.Chen, L.Dou, R.Zhu, C.H.Chung, T.B.Song, Y.B.Zheng, S.Hawks, G.Li, P.S.Weiss, Y.Yang, ACS Nano, 2012, 6，7185.[5]M.M.Lee, J.Teuscher, T.Miyasaka, T.N.Murakami, H.J.Snaith,Science, 2012, 338, 643.[6]M.A.Green, A.H.Baillie, H.J.Snaith, Nat.Photonics, 2014,8, 506.[7]H.Zhou, Q.Chen, G.Li, S.Luo, T.-b.Song, H.-S.Duan, Z.Hong, J.You,Y.Liu, Y.Yang, Science, 2014, 345, 542.[8]M.He, ff.Han, J.Ge, Y.Yang, F.Qiu, Z.Lin, Energy Environ.ScL 2011,4， 2894。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于:以生長有二氧化鈦納米管陣列的卷曲為彈簧狀的鈦絲作為工作電極，其上依次沾涂包裹有鈣鈦礦和空穴傳輸層；以包裹有取向碳納米管的橡膠纖維作為導(dǎo)電對電極，置于彈簧狀的工作電極中間，形成同軸結(jié)構(gòu)；在最外層包裹有一層碳納米管薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池，其特征在于:該電池能夠在外力作用下，最大可拉伸30% ;在撤去外力后保持原始形狀和長度。3.一種如權(quán)利要求1所述的可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，其特征在于具體步驟為: (1)彈性導(dǎo)電對電極的制備: 把聚二甲基硅氧烷的預(yù)聚液混合注入到直徑均勻的熱縮管中，固化得到彈性纖維；再將其固定到兩個(gè)轉(zhuǎn)速一致的馬達(dá)上，從放置在平移臺上的取向碳納米管陣列中拉出可紡碳納米管薄膜，以一定角度固定在彈性纖維上；同時(shí)開啟馬達(dá)和平移臺，通過控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速和平移臺移動速度，使纖維上的纏繞角度保持不變； (2)彈簧狀工作電極的制備: 將鈦絲纏繞在一根鐵絲上形成螺旋狀，再通過陽極氧化的方法，在鈦絲表面生長取向二氧化鈦納米管陣列，再經(jīng)過四氯化鈦處理；處理后的鈦絲分別沾涂上鈣鈦礦層和空穴傳輸層，得到工作電極； (3)電池的組裝: 將彈性導(dǎo)電對電極放入彈簧狀工作電極中，形成同軸結(jié)構(gòu)，然后在外面纏繞取向碳納米管薄膜，即得到可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池。
【專利摘要】本發(fā)明屬于全固態(tài)太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種可拉伸的線狀鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。本發(fā)明的太陽能電池，以生長有二氧化鈦納米管陣列的卷曲為彈簧狀的鈦絲作為工作電極，其上依次沾涂包裹有鈣鈦礦和空穴傳輸層；以包裹有取向碳納米管的橡膠纖維作為導(dǎo)電對電極，置于彈簧狀的工作電極中間，形成同軸結(jié)構(gòu)；在最外層包裹有一層碳納米管薄膜。這種具有彈性的鈣鈦礦太陽能電池，能夠在外力作用下最大拉伸達(dá)30%，并且拉伸250個(gè)循環(huán)后性能保持穩(wěn)定。這種彈性太陽能電池可用于制備柔性可拉伸電子器件。
【IPC分類】H01L51/42, H01L51/48, H01L51/46
【公開號】CN105226192
【申請?zhí)枴緾N201510653640
【發(fā)明人】彭慧勝, 鄧玨, 丘龍斌
【申請人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年10月11日