本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及太陽(yáng)能及離子儲(chǔ)能兩用電池器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為太陽(yáng)能電池中的新星獲得了越來(lái)越多的研究和重視，器件效率達(dá)到22％左右，這得益于鈣鈦礦材料優(yōu)良的光電性能和研究人員對(duì)于器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新。

鈣鈦礦材料的一大本質(zhì)特征是鈣鈦礦材料內(nèi)部離子在外界條件如光照和電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)。鈣鈦礦內(nèi)部離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)在鈣鈦礦薄膜層兩端形成正負(fù)離子的匯集，進(jìn)而在器件中形成一定的電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差會(huì)在外部偏壓和光照消失時(shí)驅(qū)動(dòng)匯集的離子向鈣鈦礦材料內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，形成電流；這就為離子電池的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。因此通過(guò)對(duì)于器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本發(fā)明獲得了即可作為太陽(yáng)能電池又可作為離子電池應(yīng)用的全天候電池器件。

目前已有將鈣鈦礦材料用于太陽(yáng)能電池的相關(guān)研究，但是太陽(yáng)能電池在無(wú)光照條件下無(wú)法工作，不能夠全天候工作，而將鈣鈦礦材料用于制備離子電池尚沒(méi)有研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種兼具太陽(yáng)能電池、離子儲(chǔ)能電池功能的電池器件及其制備方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件，包括透明導(dǎo)電襯底，所述透明導(dǎo)電襯底上依次設(shè)有pedot:pss層、鈣鈦礦層、有機(jī)空穴傳輸層、三氧化鉬層、金屬導(dǎo)電層，所述太陽(yáng)能及離子儲(chǔ)能兩用電池器件既可以用作太陽(yáng)能電池，將光能轉(zhuǎn)化為電能，也可以用作離子電池，通過(guò)對(duì)所述太陽(yáng)能及離子儲(chǔ)能兩用電池器件進(jìn)行充電和放電來(lái)儲(chǔ)存和利用電能，所述太陽(yáng)能及離子儲(chǔ)能兩用電池器件具有全天候工作的能力。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述鈣鈦礦層中含有ch3nh3pbaxb3-x型晶體結(jié)構(gòu)的材料，其中a為cl、br或i，b為cl、br或i，x為0、1、2或3。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述有機(jī)空穴傳輸層中含有有機(jī)共軛聚合物空穴傳輸材料，所述有機(jī)共軛聚合物空穴傳輸材料為p3ht或pdppdp。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述透明導(dǎo)電襯底包括導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層為ito、fto或azo。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述金屬導(dǎo)電層為鋁層。

此外，本發(fā)明還提供了一種如上所述的兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件的制備方法，所述鈣鈦礦層是通過(guò)制備鈣鈦礦溶液，然后將所述鈣鈦礦溶液涂覆到所述pedot:pss層上干燥得到的。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述pedot:pss層是通過(guò)制備pedot:pss溶液，然后將所述pedot:pss溶液涂覆到所述透明導(dǎo)電襯底上干燥得到的。

在一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述有機(jī)空穴傳輸層是通過(guò)制備有機(jī)空穴傳輸材料溶液，然后將所述有機(jī)空穴傳輸材料溶液涂覆到所述鈣鈦礦層上干燥得到的。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)能及離子儲(chǔ)能兩用電池器件及其制備方法，該電池器件包括透明導(dǎo)電襯底和依次設(shè)于透明導(dǎo)電襯底上的pedot:pss層、鈣鈦礦層、有機(jī)空穴傳輸層、三氧化鉬層、金屬導(dǎo)電層，該電池器件兼具有太陽(yáng)能電池和離子電池的性能，在光照條件下，鈣鈦礦材料內(nèi)部離子，尤其是鹵素離子的運(yùn)動(dòng)，使得器件的陰陽(yáng)極兩端實(shí)現(xiàn)正負(fù)電荷的累積，將光轉(zhuǎn)化成電，在沒(méi)有光照的條件下，鈣鈦礦內(nèi)部離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)在鈣鈦礦薄膜層兩端形成正負(fù)離子的匯集，進(jìn)而在器件中形成一定的電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差會(huì)在外部偏壓和光照消失時(shí)驅(qū)動(dòng)匯集的離子向鈣鈦礦材料內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，繼而在此過(guò)程中產(chǎn)生電流；pedot:pss作為一種分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能隙小、電導(dǎo)率高聚合物，將之沉積在透明導(dǎo)電襯底上可以提高載流子抽取和傳輸能力，改善界面質(zhì)量，增加有效載流子數(shù)量；另一方面pedot:pss層的存在與有機(jī)空穴傳輸層形成能級(jí)上對(duì)稱性，使得器件在一定的偏壓或光照情況下在兩層上產(chǎn)生一定的電荷積累，為其在可循環(huán)電池上的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)；有機(jī)空穴傳輸層沉積在鈣鈦礦層表面，增加了鈣鈦礦層表面的平整度，降低了鈣鈦礦與金屬電極直接接觸的可能性，提高器件壽命；而且有機(jī)空穴傳輸層相對(duì)于無(wú)機(jī)空穴傳輸層具有更強(qiáng)的空穴抽取和傳輸能力，使得器件在光照條件下具有較高的空穴傳輸能力，提高器件效率；三氧化鉬具有與有機(jī)空穴傳輸材料能級(jí)相當(dāng)?shù)墓瘮?shù)，同時(shí)它作為金屬氧化物具有較高的穩(wěn)定性和界面兼容性，將之沉積在有機(jī)空穴傳輸層上可以改善空穴傳輸層與金屬電極的能級(jí)和接觸匹配，與金屬鋁形成復(fù)合電極。

附圖說(shuō)明

圖1為兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件在光照條件下的工作原理圖。

圖3為實(shí)施例1中的電池器件在太陽(yáng)光下的光電j-v曲線。

圖4為兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件在無(wú)光照、3v偏壓下的工作原理圖。

圖5為兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件在無(wú)光照、0v偏壓下的工作原理圖。

圖6為實(shí)施例1中的電池器件在短路回路中的光照充放電的j-t曲線。

圖7為實(shí)施例1中的電池器件在短路回路中的電充放電的j-t曲線。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

本發(fā)明提供了一種兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，電池器件包括透明導(dǎo)電襯底1，所述透明導(dǎo)電襯底1上依次設(shè)有pedot:pss層2、鈣鈦礦層3、有機(jī)空穴傳輸層4、三氧化鉬層5、金屬導(dǎo)電層6，其中，所述透明導(dǎo)電襯底1為電池器件的陽(yáng)極，所述金屬導(dǎo)電層6為電池器件的陰極。所述鈣鈦礦層3中含有ch3nh3pbaxb3-x型晶體結(jié)構(gòu)的材料，其中a為cl、br或i，b為cl、br或i，x為0、1、2或3，這種鈣鈦礦材料為一種半導(dǎo)體材料，具有很好的吸光系數(shù)，能用作太陽(yáng)能電池材料，同時(shí)，這種鈣鈦礦材料內(nèi)部能產(chǎn)生離子運(yùn)動(dòng)，為儲(chǔ)能電池提供有效途徑，所述鈣鈦礦層3的厚度為300nm。所述有機(jī)空穴傳輸層4的厚度為100nm，所述有機(jī)空穴傳輸層4中含有有機(jī)共軛聚合物空穴傳輸材料，所述有機(jī)共軛聚合物空穴傳輸材料為p3ht(3-己基噻吩)，p3ht具有很強(qiáng)的空穴抽取和傳輸能力，使得器件在光照條件下具有較高的空穴傳輸能力，提高器件效率。所述三氧化鉬層5的厚度為10nm，所述透明導(dǎo)電襯底1包括玻璃和覆于玻璃表面的導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層為ito(氧化銦錫)。所述金屬導(dǎo)電層6為鋁層。

上述兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件中所述鈣鈦礦層3、所述pedot:pss層2和所述有機(jī)空穴傳輸層4都是通過(guò)溶液法制備得到，具體地，所述鈣鈦礦層3是通過(guò)制備鈣鈦礦溶液，然后將所述鈣鈦礦溶液涂覆到所述pedot:pss層2上干燥得到的，所述鈣鈦礦溶液中鈣鈦礦濃度為1mol/l，通過(guò)旋涂的工藝涂覆到所述pedot:pss層2上，旋轉(zhuǎn)速度為4000rpm，旋涂時(shí)間30min，干燥是在90℃下加熱10min；所述pedot:pss層2是通過(guò)制備pedot:pss溶液，然后將所述pedot:pss溶液涂覆到所述透明導(dǎo)電襯底上干燥得到的，所述pedot:pss溶液中pedot:pss濃度為15mol/l，通過(guò)旋涂的工藝涂覆到所述透明導(dǎo)電襯底2上，旋轉(zhuǎn)速度為3000rpm，干燥是手套箱內(nèi)130℃干燥1小時(shí)；所述有機(jī)空穴傳輸層4是通過(guò)制備有機(jī)空穴傳輸材料溶液，然后將所述有機(jī)空穴傳輸材料溶液涂覆到所述鈣鈦礦層3上干燥得到的，所述有機(jī)空穴傳輸材料溶液中有機(jī)空穴傳輸材料濃度為15mol/l，通過(guò)旋涂的工藝涂覆到所述鈣鈦礦層3上，旋涂后于手套箱內(nèi)自然干燥。

參照?qǐng)D2，圖2為兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件在光照條件下的工作原理圖，所述電池器件在光照條件下，鈣鈦礦層3中鈣鈦礦材料內(nèi)部離子，尤其是鹵素離子的運(yùn)動(dòng)，使得器件的陰陽(yáng)極兩端實(shí)現(xiàn)正負(fù)電荷的累積，將光轉(zhuǎn)化成電。對(duì)實(shí)施例1制備得到的電池器件進(jìn)行太陽(yáng)能j-v曲線分析，得到電池器件在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光am(1.5g)下的光電j(電流密度)-v(電壓)曲線如圖3，得到電池器件在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光am(1.5g)下的太陽(yáng)能電池性能參數(shù)如表1所示，由圖3可以看到在電壓下發(fā)生離子移動(dòng)，能級(jí)結(jié)構(gòu)部對(duì)稱，產(chǎn)生明顯的光伏效應(yīng)。由表1可以看到該電池獲得16.61ma/cm²的短路電流，0.89v的開(kāi)路電壓，61.3％的填充因子與9.07％的能量轉(zhuǎn)換效率。

表1電池器件在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下的電池性能參數(shù)

參照?qǐng)D4，圖4為兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件在無(wú)光照、3v偏壓下的工作原理圖，所述電池器件在無(wú)光照、3v偏壓下，偏壓會(huì)驅(qū)動(dòng)鈣鈦礦層3中鈣鈦礦材料內(nèi)部離子，尤其是鹵素離子的運(yùn)動(dòng)，在鈣鈦礦兩端形成正負(fù)電荷富集，形成對(duì)于器件的充電過(guò)程。

參照?qǐng)D5，圖5為兼具太陽(yáng)能電池、離子電池功能的電池器件在無(wú)光照、0v偏壓下的工作原理圖，所述電池器件在無(wú)光照、0v偏壓下，鈣鈦礦兩端富集的電荷運(yùn)動(dòng)，在回路中形成電流，形成對(duì)于器件的放電過(guò)程。

分別在光照、無(wú)光照條件下，分析實(shí)施例1的電池器件在短路回路中的光照充放電j(電流密度)-t(時(shí)間)曲線，得到結(jié)果如圖6，當(dāng)存在光照時(shí)，電池器件中鈣鈦礦的內(nèi)部離子在光生電動(dòng)勢(shì)的作用下運(yùn)動(dòng)，電荷在鈣鈦礦兩端富集，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)差，完成充電過(guò)程(光照條件階段)；當(dāng)無(wú)光照時(shí)，離子在電勢(shì)差作用下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流，器件進(jìn)入放電過(guò)程(黑暗條件階段)。

分別在無(wú)光照3v偏壓、無(wú)光照0v偏壓條件下，分析實(shí)施例1的電池器件在短路回路中的電充放電j(電流密度)-t(時(shí)間)曲線，得到結(jié)果如圖7，當(dāng)加+3v偏壓時(shí)，電池器件中鈣鈦礦內(nèi)部離子在外部電壓的作用下運(yùn)動(dòng)，電荷在鈣鈦礦兩端富集，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電勢(shì)差，完成充電過(guò)程；當(dāng)偏壓去除時(shí)，離子在內(nèi)部電勢(shì)差作用下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流，器件進(jìn)入放電過(guò)程。

綜上，本發(fā)明所述的電池器件在有光照時(shí)可以作為太陽(yáng)能電池使用，在沒(méi)有光照時(shí)，可以作為離子電池使用，可全天候使用。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于：所述有機(jī)共軛聚合物空穴傳輸材料為pdppdp(聚噻吩吡咯共聚物)，pdppdp具有很強(qiáng)的空穴抽取和傳輸能力，使得器件在光照條件下具有較高的空穴傳輸能力，提高器件效率，所述透明導(dǎo)電襯底1包括玻璃和覆于玻璃表面的導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層為fto(氟摻雜氧化錫)。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于：所述導(dǎo)電層為azo(鋁摻雜氧化鋅)。