技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鈣鈦礦型電池技術(shù)，尤其涉及一種基于碳對(duì)電極的鈣鈦礦型電池及其制備方法。

背景技術(shù)

以鈣鈦礦型化合物為吸光材料的薄膜太陽(yáng)能電池，是繼染料敏化、量子點(diǎn)敏化之后的又一基于納米半導(dǎo)體材料的新型太陽(yáng)能電池。鈣鈦礦型化合物（如CH₃NH₃PbI₃）具有獨(dú)特的光電性能，在液態(tài)染敏電池和基于空穴傳輸材料的固態(tài)薄膜電池中均表現(xiàn)出優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)鈣鈦礦晶體材料也具備良好的電子和空穴傳輸性能，這為制備鈣鈦礦型平面異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池提供了基礎(chǔ)。鈣鈦礦型化合物具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，較好的光吸收性能，能夠吸收幾乎全部的可見光用于光電轉(zhuǎn)換。同時(shí)該材料具有自主裝性能，所以合成簡(jiǎn)易，通過低成本液相法即可實(shí)現(xiàn)有效的薄膜沉積。

數(shù)十年里，幾乎所有的太陽(yáng)能技術(shù)，如晶體硅和碲化鎘薄膜都經(jīng)過了一個(gè)緩慢的發(fā)展過程。但鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池從2009年被首次報(bào)道以來，不到5年的時(shí)間內(nèi)，光電轉(zhuǎn)換效率從最初的3.8%到如今的15%，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。當(dāng)其他技術(shù)還在為突破12%不斷努力時(shí)，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池已遙遙領(lǐng)先。主要原因就是鈣鈦礦型化合物有近乎完美的結(jié)晶度，這是砷化鎵和晶體硅等頂級(jí)太陽(yáng)能電池材料共有的特征。自然界中多數(shù)晶體排列充斥著許多瑕疵，當(dāng)電荷快速通過晶體陷入瑕疵時(shí)，它們通常會(huì)放棄額外的能量。制造無瑕疵的晶體通常需要超高的溫度，或價(jià)值數(shù)百萬美元的設(shè)備。但是鈣鈦礦型晶體能在80?℃下被制成，并能從溶液中簡(jiǎn)單沉淀析出近乎完美的結(jié)晶形式。

鈣鈦礦型電池還有另一個(gè)價(jià)值很高的特性，即產(chǎn)生電壓的效率。例如，在晶體硅太陽(yáng)能電池中，需要從光子獲得至少1.1電子伏(eV)的能量，從而將一個(gè)電子反沖出硅原子的束縛，成為自由電子。然后，電子到達(dá)電極，再進(jìn)入電路，它們的電壓會(huì)降至?0.7eV，僅喪失了0.4eV——這也是晶硅電池在商業(yè)上取得成功的原因之一。對(duì)于傳統(tǒng)的染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSCs）和有機(jī)太陽(yáng)能電池而言，這些損耗約為0.7eV～0.8eV。但是，鈣鈦礦型的損耗僅有0.4eV，與晶硅電池相當(dāng)。

近年來，太陽(yáng)能電池價(jià)格不斷下降，經(jīng)過殘酷的商業(yè)淘沙，大量相關(guān)企業(yè)紛紛破產(chǎn)。風(fēng)險(xiǎn)投資公司以及科學(xué)基金機(jī)構(gòu)，對(duì)支持有機(jī)太陽(yáng)能光伏電板和DSSCs等進(jìn)展緩慢研究的熱情逐漸冷卻。鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的異軍突起給研究人員和太陽(yáng)能電池企業(yè)帶來了新的希望。這種電池還有許多改進(jìn)空間，據(jù)估計(jì)，明年效率能達(dá)到20%。專家認(rèn)為，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池還有潛力與硅電池板相結(jié)合，制造出效率達(dá)30%甚至更高的串聯(lián)電池。

目前報(bào)道的高效率鈣鈦礦型電池如圖1所示，其結(jié)構(gòu)組成從光陽(yáng)極到光陰極依次為導(dǎo)電玻璃基底1、TiO₂致密層2、TiO₂/Al₂O₃納米多孔薄膜3、鈣鈦礦型吸光劑薄膜4、空穴傳輸材料5、鍍Au或鍍Ag光陰極6。其原材料成本的大部分來自于空穴傳輸材料和貴金屬Au、Ag。因此，有效地降低生產(chǎn)成本是今后鈣鈦礦型電池在實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)過程中，急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述現(xiàn)有鈣鈦礦型電池高成本的問題，提出一種基于碳對(duì)電極的鈣鈦礦型電池，該電池原料易得、成本、低廉，易于工業(yè)化生產(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于碳對(duì)電極的鈣鈦礦型電池，所述鈣鈦礦型電池光包括平行、順次連接的導(dǎo)電玻璃基底、TiO₂致密層、半導(dǎo)體納米多孔薄膜、鈣鈦礦型吸光劑薄膜和導(dǎo)電碳薄膜。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電玻璃為FTO導(dǎo)電玻璃或ITO導(dǎo)電玻璃。

進(jìn)一步地，所述TiO₂致密層厚度為20?nm?-100?nm，優(yōu)選為40?nm?-60?nm，本發(fā)明構(gòu)成TiO₂致密層的TiO₂粒度為幾個(gè)納米。

進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體納米多孔薄膜為TiO₂或Al₂O₃納米多孔薄膜，其厚度為200?nm-1000?nm，優(yōu)選為400?nm?-800?nm，納米顆粒尺寸為10?nm-25?nm。