一種可拼接的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種可拼接的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]能源問題被認為是21世紀人類社會面臨的最重要的挑戰之一。為緩解化石能源的日益枯竭帶來的能源短缺，太陽能、風能、潮汐能等可再生能源受到了廣泛的關注和研究。其中，太陽能由于其取之不盡用之不竭的特點，成為了可再生能源中最被看好的能量來源。[1]盡管人們對于各類太陽能電池已經進行了廣泛而深入的研究，然而在實際使用中，太陽能電池必須通過導線或電路實現串聯以提高輸出電壓，這極大的提高了生產成本和復雜性，并且可能產生短路等安全問題。尤其當使用在可穿戴設備及柔性電子器件領域，器件整體的柔性將被嚴重破壞，集成度也將大大下降。因此，設計并實現不需通過外部導線或電路即可實現串聯連接的可拼接太陽能電池，對柔性器件、可穿戴設備和便攜式能源器件領域而言都有著極其重要的實際意義。
[0003]鈣鈦礦太陽能電池是近五年來研究最為廣泛的一類新型高性能太陽能電池，它利用一類化學結構為ABXj^鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料，由于這類鈣鈦礦材料通常具有較高的載流子迀移率和較低的載流子復合率，因此具有較長的載流子的擴散距離和壽命。自從2009年Tsutomu Miyasaka首次將I丐鈦礦材料用于制備太陽能電池以來[2]，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經從最初的3.8%提高至接近20%。[3]目前，柔性的鈣鈦礦太陽能電池也已經被成功制備出來，但是柔性器件的光電轉換效率普遍低于剛性基底[4’5]。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種可拼接的鈣鈦礦太陽能電池及其制備方法和應用。
[0005]本發明提供的可拼接的鈣鈦礦太陽能電池，使用具有可拼接能力的電極，該電極由取向碳納米管薄膜平鋪于自修復高分子膜的表面制備而成。該電極具有良好的電學性質和柔性，可不需借助導線直接進行電極之間的連接。
[0006]本發明提供的可拼接的鈣鈦礦太陽能電池單元中，其組成結構依次為氧化銦錫電極層、二氧化鈦納米層、鈣鈦礦層、空穴傳輸層、由取向碳納米管薄膜平鋪于自修復高分子膜表面而成的復合膜層；多塊可拼接鈣鈦礦太陽能電池單元在邊緣處兩兩疊合連接，組成可拼接I丐欽礦太陽能電池。
[0007]本發明中，自修復高分子和氧化銦錫電極間形成較強的氫鍵作用，使取向碳納米管和氧化銦錫電極接觸并牢固的拼接在一起，實現簡便的串聯連接，不需借助任何導線或電路。拼接后得到的太陽能電池具有很好的柔性和結構穩定性。
[0008]本發明還提供上述可拼接鈣鈦礦太陽能電池的制備方法，具體步驟為:
第一，可自由拼接的平面電極的制備 (I)取向碳納米管陣列的制備:通過化學氣相沉積法合成可紡的多壁碳納米管陣列。催化劑使用Fe (1-2 nm)/ Al2O3 (8-12 nm)，碳源為乙稀，氣相載體為氬氣和氫氣的混合氣體，化學氣相沉積得到可紡的碳納米管陣列；
(2 )自修復高分子薄膜的制備:使用的方法是改進后的“ LeibIer ”方法，具體制備的方法為:首先，聚二酸和二乙烯三胺以質量比(0.5-3):1在氬氣氣氛下120-160 °C加熱攪拌12-36小時。產物用氯仿完全溶解，再分別使用與氯仿等體積的去離子水和一半體積的甲醇洗滌，通過旋轉蒸發除出溶劑得到自修復高分子；
取自修復高分子溶解于三氯甲烷獲得均一溶液，質量:體積為1:10 ;將此溶液滴加于清潔玻璃片上，室溫下揮發溶劑0.5-3小時，50-80 0C烘烤15-40分鐘蒸干溶劑，即獲得自修復高分子薄膜；
(3)制備可自由拼接的平面電極:將取向碳納米管薄膜直接從可紡的碳納米管陣列中拉出，正交鋪排于自修復高分子薄膜上，獲得取向碳納米管/自修復高分子復合膜。
[0009]第二，可拼接鈣鈦礦太陽能電池的制備
在氧化銦錫/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底上旋涂Spiro-OMeTAD作為空穴傳輸層，然后將取向碳納米管/自修復高分子復合膜貼在空穴傳輸層上，并使取向碳納米管與空穴傳輸層直接接觸，即獲得可拼接的鈣鈦礦太陽能電池單元；
其中，在氧化銦錫/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底上旋涂Spiro-OMeTAD空穴傳輸層的操作過程為:
用丙酮，異丙醇和水分別在超聲下清洗氧化銦錫/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底10-30分鐘，并以2000-8000轉/分鐘旋轉涂布二氧化鈦納米粒子/乙醇分散液10-50 S。以2000-6000轉/分鐘旋轉涂布PbI2 10-50 s，隨后在80 °C保持20-40分鐘烘干溶劑。冷卻至室溫后，將得到的基底浸入5-15 mg mL-1的CH3NH3I/異丙醇溶液中10-60 S，并在80 °C保持20-40分鐘，隨后以1000-5000轉/分鐘旋轉涂布Spiro-OMeTAD 30-90 s作為空穴傳輸層，Spiro-OMeTAD 的具體成分為 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劑中，其中氯苯和乙腈的體積比為20:lo
[0010]本發明還提供鈣鈦礦太陽能電池的拼接方法，具體步驟為:將一塊可拼接鈣鈦礦太陽能電池單元的取向碳納米管/自修復高分子復合膜的取向碳納米管部分與另一個可拼接鈣鈦礦太陽能電池單元的氧化銦錫電極面對面放置，沿膜所在平面的垂直方向將兩塊復合膜相互靠近，并使兩塊膜邊緣處重疊一部分，以實現拼接；如此，根據需要進行多塊可拼接鈣鈦礦太陽能電池單元的串聯連接。
[0011]本發明制備的新型太陽能電池單元的串聯連接，不需借助任何導線或電路，拼接后到的太陽能電池具有很好的柔性和結構穩定性，可廣泛用于柔性器件、可穿戴設備和便攜式能源器件等領域。
【附圖說明】
[0012]圖1為可拼接鈣鈦礦太陽能電池結構。其中，a為可拼接鈣鈦礦太陽能電池結構示意圖，b為可拼接鈣鈦礦太陽能電池拼接示意圖。
[0013]圖2為可拼接鈣鈦礦太陽能電池照片。其中，a為可拼接鈣鈦礦太陽能電池的光學照片，b為兩個可拼接鈣鈦礦太陽能電池拼接后的光學照片。由于下部的電池僅通過可拼接電極的與上部的電池連接，體現出拼接處良好的結構穩定性。
[0014]圖3為可拼接鈣鈦礦太陽能電池的電流密度-電壓曲線。其中，a為單個可拼接鈣鈦礦太陽能電池典型的電流密度-電壓曲線，b為單個可拼接鈣鈦礦太陽能電池和兩個可拼接鈣鈦礦太陽能電池拼接后的電流-電壓曲線。可以看到單個可拼接鈣鈦礦太陽能電池，短路電流密度，開路電壓和填充因子分別達到15.30 mA cm 2，1.06 V和0.48，光電轉換效率達到7.80%ο兩個太陽能電池拼接后，開路電壓提尚至1.90 V，表明串聯拼接的有效實現，而短路電流僅下降了 6.4%，表明拼接連接處中并未出現電阻顯著增大的情況。
[0015]圖4為單個可拼接鈣鈦礦太陽能電池彎曲狀態下的光學照片。
[0016]圖5為五個可拼接鈣鈦礦太陽能電池拼接后的光學照片。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
(I)取向碳納米管陣列的制備:通過化學氣相沉積法合成可紡的多壁碳納米管陣列。催化劑使用Fe (2 nm)/ Al2O3 (10 nm)，碳源為乙稀，氣相載體為氬氣和氫氣的混合氣體，化學氣相沉積得到可紡的碳納米管陣列。
[0018](2)自修復高分子薄膜的制備:20 g聚二酸和7 g 二乙烯三胺在氬氣氣氛下160°(:加熱攪拌24小時。產物用100 mL氯仿溶解，再分別以100 mL去離子水和50 mL甲醇洗滌，通過旋轉蒸發除出溶劑得到自修復高分子。
[0019]取I g自修復高分子溶解于10 mL三氯甲烷獲得均一溶液，將此溶液滴加于清潔玻璃片上，室溫下揮發溶劑2小時，80 0C烘干20分鐘蒸干溶劑，即獲得自修復高分子薄膜。
[0020](3)制備可自由拼接的平面電極:將取向碳納米管薄膜直接從可紡的碳納米管陣列中拉出，正交鋪排24層于自修復高分子薄膜上，獲得取向碳納米管/自修復高分子復合膜。
[0021](4)可拼接鈣鈦礦太陽能電池的制備:用丙酮，異丙醇和水分別在超聲下清洗氧化銦錫/聚萘二甲酸乙二醇酯柔性基底15分鐘，并以5000轉/分鐘旋轉涂布二氧化鈦納米粒子/乙醇分散液30 S0以4000轉/分鐘旋轉涂布PbI2 30 s，隨后在80 °C保持30分鐘烘干溶劑。冷卻至室溫后，將得到的基底浸入10 mg mL-Ι的CH3NH3I/異丙醇溶液中30 S，并在80 0C保持30分鐘，隨后以3000轉/分鐘旋轉涂布Spiro-OMeTAD60 s作為空穴傳輸層，Spiro-OMeTAD的具體成分為6L 4 mM 2，2’，7，7’ -tetrakis(N, N-d1-p-methoxyphenyIamine)
-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劑中，其中氯苯和乙腈的體積比為20:1。將取向碳納米管/自修復高分子復合膜直接貼在空穴傳輸層上，并使取向碳納米管與空穴傳輸層直接接觸，即獲得可拼接的鈣鈦礦太陽能電池。
[0022](5)可拼接I丐欽礦太陽能電池的拼接:將個可拼接I丐欽礦太陽能電池的取向碳納米管/自修復高分子復合膜的取向碳納米管部分與另一個可拼接鈣鈦礦太陽能的氧化銦錫電極面對面放置，沿膜所在平面的垂直方向將兩塊復合膜相互靠近，并使兩塊膜重疊一部分，以實現拼接。如此，根據需要進行多塊可拼接鈣鈦礦太陽能電池單元的串聯連接。
[0023]實施例2
(I)取向碳納米管陣列的制備:通過化學氣相沉積法合成可紡的多壁碳納米管陣列。催化劑使用Fe (1.5 nm)/ Al2O3 (11 nm)，碳源為乙稀，氣相載體為氬氣和氫氣的混合氣體，化學氣相沉積得到可紡的碳納米管陣列。
[0024](2)自修復高分子薄膜的制備:10 g聚二酸和4 g 二乙烯三胺在氬氣氣氛下150°(:加熱攪拌30小時。產物用50 mL氯仿溶解，再分別以50 mL去離子水和25 mL甲醇洗滌，通過旋轉蒸發除出溶劑得到自修復高分子。
[