[发明专利]一种以石墨烯量子点作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池

说明书

本发明属于新能源领域，公开了一种以石墨烯量子点作为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池。这种钙钛矿太能源电池由衬底、透明电极、石墨烯量子点空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层、金属电极这几部分组成。其特征是以石墨烯量子点作为空穴传输层，并且在石墨烯量子点中修饰有贵金属纳米颗粒，不仅可以充分利用石墨烯量子点优异的载流子迁移率的特性，提高钙钛矿电池的空穴迁移率。而且通过贵金属的表面等离激元激发现象，可以增强电池对光的吸收效率，有进一步有效提高电池对光的吸收和转换效率，使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率得到大大的增强。

技术领域

本发明属于新能源领域，尤其涉及一种以石墨烯量子点作为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池。

背景技术

钙钛矿(CH₃NH₃PbX₃，X＝卤素原子)材料凭借其合适的直接带隙、小的激子结合能、良好的双极性电荷传输性质和地球上资源丰富的性质引起广大科研者的极大关注，并且由于其器件可进行溶液加工，具有低成本和高光电转换效率的特性，钙钛矿成为最有前途的太阳能电池材料之一。其中空穴传输层是电池的一个关键组成部分，选择合适的空穴传输材料作为钙钛矿活性层和电极之间的连接层，可以实现有效的空穴传输和减少载流子复合，提高器件的性能。目前所使用的各类空穴传输层材料或载流子迁移率低或稳定性差。

氧化石墨烯是一种具有含氧官能团的二维碳材料，含氧官能团在石墨烯片层结构上的非均性分布降低了材料的电子迁移率，近年来也被用于钙钛矿太阳能电池的空穴传输层来阻滞电荷复合。氧化石墨烯作为界面层材料具有两个严重的缺点。首先，导电性差会导致器件的串联电阻很大，填充因子降低。另外，氧化石墨烯片的尺寸非常不均匀，器件性能的重现性较差，使得界面层覆盖也不均匀。因此，制备导电性高且尺寸均匀的空穴传输层材料，对于获得高质量钙钛矿电池器件非常重要。石墨烯量子点(GQD)具有稳定性很好、尺寸分布窄、迁移率高、带隙可调等优点，在生物显影、光学燃料及智能电子设备等领域已经有了很多应用。石墨烯量子点具有较小的片层尺寸(几纳米到几十纳米)，及可控的含氧官能团，所以该材料在水中的分散性非常好，作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层有望获得良好的电荷传输性能。

需要注意的是，利用贵金属颗粒的表面等离激元激发现象可以形成很强的电场局域和增强，可对散射光的方向进行有效调控，对增强光伏器件性能具有重要的作用。贵金属纳米颗粒对入射光场散射，将自由空间的光更多地散射到电池内部，并增加光在薄膜电池中的高角散射且可对进入器件的光进行多次散射，增加光在薄膜电池中的有效传播长度，提高电池对光的吸收和转换效率。

综上所述，当前技术存在的主要问题是：钙钛矿太阳能电池的空穴传输层稳定性较差且载流子迁移率低，极大限制了钙钛矿吸收层空穴的迁移速率，降低钙钛矿太阳能电池的光电转化效率。同时将氧化石墨烯作为空穴层存在导电性差会导致器件的串联电阻很大，填充因子降低。另外，氧化石墨烯片的尺寸非常不均匀，器件性能的重现性较差，使得界面层覆盖也不均匀。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种以石墨烯量子点作为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池。本发明以石墨烯量子点作为空穴传输层，并且在石墨烯量子点中修饰有贵金属纳米颗粒，不仅可以充分利用石墨烯量子点优异的载流子迁移率的特性，提高钙钛矿电池的空穴迁移率，而且通过贵金属的表面等离激元激发现象，可以增强电池对光的吸收效率，进一步有效提高电池对光的吸收和转换效率。通过使用尺寸比较小、分布更加均匀、且导电性好的石墨烯量子点，不仅可以有效解决空穴层的载流子迁移率低问题，，同时还提高了钙钛矿空穴的传输迁移率。同时通过将贵金属纳米颗粒修饰在石墨烯量子点表面，不仅有效解决了贵金属纳米颗粒的团聚问题，同时有效提高了钙钛矿电池内部的光的吸收率，使得钙钛矿太阳能电池的光电转化效率得到大大的增强。

(二)技术方案