一种可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及为一种可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能是绿色无污染的可再生能源，太阳能电池是利用太阳能最主要的形式。传统的硅基太阳能电池长期被认为是效率最高的太阳能电池。但是由于其价格昂贵，且只能制备刚性电池的缺点，限制了其广泛的应用[1’2]。另一方面，聚合物太阳能电池具有制备工艺简单和具有柔性等优势，然而效率往往较低近年来，发展出了一种新型的钙钛矿太阳能电池。它同时具备了低成本和高效率优势。许多领域都具有广泛的应用[58]。随着光电转换效率的不断提高，人们致力于将其赋予柔性的特征以满足实际应用。此外，线状太阳能电池最近成为了科学界的一个研究热，主要是因为线状电池的可编织性，可以让太阳能电池编织成任意的形状，从而进一步拓宽太阳能电池的应用范围。
[0003]然而在实际应用中，往往需要克服应力造成的器件损坏。因此，制备具有可拉伸性能的太阳能电池是十分必要的。而钙钛矿电池全固态的特性又十分有利于实际应用。目前，还没有纤维状全固态太阳能电池的相关研究。这是由于钙钛矿本身相对刚性的特征限制了平面状可拉伸钙钛矿太阳能电池的研究。本发明通过设计弹簧状的光阳极纤维，实现了太阳能电池的可拉伸性，为制备其他弹性电子器件提供了新思路。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池及其制备方法。
[0005]本发明提供的可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池，以生长有二氧化钛纳米管阵列的卷曲为弹簧状的钛丝作为工作电极，其上分别沾涂包裹有钙钛矿和空穴传输层；以包裹有取向碳纳米管的橡胶纤维作为导电对电极，置于弹簧状的工作电极中间形成同轴结构；在最外层包裹有一层碳纳米管薄膜。该线状钙钛矿太阳能电池结构参见图1a所示。从图1b-1f中可以看出，各层表面平整，并且各层间紧密接触。
[0006]由于弹簧状的工作电极和弹性导电纤维的可拉伸性质，赋予了整个电池具有一定的可拉伸性。该电池能够在外力作用下，最大拉伸30%，并在撤去外力后保持原始形状和长度。并且拉伸250个循环后性能保持稳定。
[0007]本发明提供的可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池的制备方法，具体步骤为:
(1)弹性导电对电极的制备
首先把聚二甲基硅氧烷的预聚液混合注入到直径均匀的热缩管中，固化得到弹性纤维；再将其固定到两个转速一致的马达上，从放置在平移台上的取向碳纳米管阵列中拉出可纺碳纳米管薄膜，以一定角度(例如30-75度)固定在弹性纤维上；同时开启马达和平移台，通过控制马达转速和平移台移动速度，使纤维上的缠绕角度保持不变；
(2)弹簧状工作电极的制备首先将钛丝缠绕在一根铁丝上形成螺旋状，再通过阳极氧化的方法，在钛丝表面生长取向二氧化钛纳米管阵列，再通过四氯化钛处理；处理后的钛丝分别沾涂上钙钛矿层和空穴传输层，得到工作电极；
(3)电池的组装
首先将弹性导电对电极放入弹簧状工作电极中，形成同轴结构，然后在外面缠绕取向碳纳米管薄膜，即得到可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池。
[0008]本发明研究了不同长度二氧化钛纳米管阵列的光阳极对可拉伸线状钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响。结果(如图2a)显示，当二氧化钛管长度从0.4 μπι增加到1.3μπι时，电池的短路电流，开路电压和填充因子明显增加，最高的光电转换效率达到1.01%。当进一步增加二氧化钛纳米管的长度时，由于填充因子的下降，电池效率呈现下降的趋势。同时，本发明也研究了该可拉伸电池在多次拉伸情况下的广电性能，见图2b所示，可以看出，在拉伸250个循环后，光电转换效率仍然能够保持在80%以上，体现出了良好的稳定性。
[0009]本发明进一步研究了这种全固态太阳能电池在不同光照角度下的性能，参见图2c，可以看出，电池的光电转换性能在各个光照角度下基本保持不变，这得益于电池纤维状的结构。图2d进一步测试这种电池在串联和并联情况下的性能，参见图2d，当3个电池分别串联和并联时，电池的开路电压和短路电流能够相应的增加，以满足给不同能量存储设备充电的需求。
【附图说明】
[0010]图1为纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池制备过程图示。其中，a为纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池制备的示意图。b为阳极氧化后二氧化钛纳米管阵列扫描电子显微镜图片。c为钙钛矿层的扫描电子显微镜图片。d为空穴传输层的扫描电子显微镜图片。e为弹性导电纤维表面碳纳米管的扫描电子显微镜图片。f为纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池的扫描电子显微镜照片。
[0011]图2为纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池性状图示。其中，a为以不同长度二氧化钛纳米管制备的纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池的光伏特性曲线。b为纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池在拉伸30%的条件下拉伸250个循环光电转换效率变化情况。c为不同光照角度对光电转换效率的影响。d为纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池在串联和并联情况下的光伏特性曲线。
[0012]图3为可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池结构图。
【具体实施方式】
[0013]下面通过实施例进一步描述本发明。
[0014]第一，弹性导电对电极的制备
首先把聚二甲基硅氧烷的预聚液混合均匀，注入到直径为2微米的热缩管中，在80摄氏度的条件下固化2小时，得到弹性纤维。再将其固定到两个转速一致的马达上，从放置在平移台上的取向碳纳米管阵列中拉出可纺碳纳米管薄膜，以一定角度(例如30-75度)固定在弹性纤维上。同时开启马达和平移台，通过控制马达转速和平移台移动速度，使纤维上的缠绕角度保持不变，从而得到电学性能稳定的可拉伸的弹性导电纤维。
[0015]第二，弹簧状工作电极的制备
首先将250微米的钛丝缠绕在约2微米的一根铁丝上形成螺旋状，再通过阳极氧化的方法，在钛丝表面生长取向二氧化钛纳米管阵列。将阳极氧化后的钛丝在500摄氏度下退火一小时。二氧化钛管从金红石型转变为锐钛矿。冷却至室温后进一步在四氯化钛水溶液进行表面处理并再次在450摄氏度下退火，使工作电极表面吸附大量的二氧化钛粒子。处理后的钛丝沾涂CH3NH3PbI3 XC1X溶液，在100摄氏度的温度下烘干5分钟。重复沾涂钙钛矿溶液三次后，在100摄氏度下煅烧2小时，得到弹簧状工作电极(即光阳极)。
[0016]第三，电池的组装
将制备好的弹性导电纤维放入弹簧状的光阳极中，再将其固定在转速一致的两马达上，用上述相同的方法再次缠绕一次碳纳米管薄膜，完成一个纤维状可拉伸钙钛矿太阳能电池的制备。
[0017]参考文献
[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。
【主权项】
1.一种可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池，其特征在于:以生长有二氧化钛纳米管阵列的卷曲为弹簧状的钛丝作为工作电极，其上依次沾涂包裹有钙钛矿和空穴传输层；以包裹有取向碳纳米管的橡胶纤维作为导电对电极，置于弹簧状的工作电极中间，形成同轴结构；在最外层包裹有一层碳纳米管薄膜。2.根据权利要求1所述的可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池，其特征在于:该电池能够在外力作用下，最大可拉伸30% ;在撤去外力后保持原始形状和长度。3.一种如权利要求1所述的可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于具体步骤为: (1)弹性导电对电极的制备: 把聚二甲基硅氧烷的预聚液混合注入到直径均匀的热缩管中，固化得到弹性纤维；再将其固定到两个转速一致的马达上，从放置在平移台上的取向碳纳米管阵列中拉出可纺碳纳米管薄膜，以一定角度固定在弹性纤维上；同时开启马达和平移台，通过控制马达转速和平移台移动速度，使纤维上的缠绕角度保持不变； (2)弹簧状工作电极的制备: 将钛丝缠绕在一根铁丝上形成螺旋状，再通过阳极氧化的方法，在钛丝表面生长取向二氧化钛纳米管阵列，再经过四氯化钛处理；处理后的钛丝分别沾涂上钙钛矿层和空穴传输层，得到工作电极； (3)电池的组装: 将弹性导电对电极放入弹簧状工作电极中，形成同轴结构，然后在外面缠绕取向碳纳米管薄膜，即得到可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池。
【专利摘要】本发明属于全固态太阳能电池技术领域，具体为一种可拉伸的线状钙钛矿太阳能电池及其制备方法。本发明的太阳能电池，以生长有二氧化钛纳米管阵列的卷曲为弹簧状的钛丝作为工作电极，其上依次沾涂包裹有钙钛矿和空穴传输层；以包裹有取向碳纳米管的橡胶纤维作为导电对电极，置于弹簧状的工作电极中间，形成同轴结构；在最外层包裹有一层碳纳米管薄膜。这种具有弹性的钙钛矿太阳能电池，能够在外力作用下最大拉伸达30%，并且拉伸250个循环后性能保持稳定。这种弹性太阳能电池可用于制备柔性可拉伸电子器件。
【IPC分类】H01L51/42, H01L51/48, H01L51/46
【公开号】CN105226192
【申请号】CN201510653640
【发明人】彭慧胜, 邓珏, 丘龙斌
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年10月11日