[发明专利]以三维结构石墨烯作为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备

说明书

本发明涉及一种以三维结构石墨烯作为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备，具体制备过程为：(1)取氧化石墨烯溶液还原并真空冷冻干燥后，制得三维结构石墨烯气凝胶；(2)将三维结构石墨烯气凝胶研磨后，加入乙醇超声分散，再加入乙基纤维素和松油醇混合均匀，制得三维结构石墨烯浆料；(3)在导电玻璃一侧表面上依次涂覆电子传输层和介孔氧化锆层，再往介孔氧化锆层上滴涂三维结构石墨烯浆料，高温煅烧，形成具有三维结构石墨烯层的电池前体；(4)继续往电池前体的侧部表面涂覆钙钛矿前驱体溶液，退火，即完成电池制备。与现有技术相比，本发明可大大降低太阳能电池的成本，简化工艺，三维结构石墨烯孔隙率可调、导电性好，具有广阔的应用前景等。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，涉及一种以三维结构石墨烯作为背电极的钙钛矿太阳能电池及其制备。

背景技术

钙钛矿太阳能电池从2009年发展至今，其光电转化效率从3.8％提高至21.1％，几乎可以和单晶硅的光电转化效率(25.6％)相媲美。典型的钙钛矿太阳能电池由以下几部分组成，包括：FTO导电玻璃、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和金电极。空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中主要负担空穴的传输。最常用的有机空穴传输材料为spiro-MeOTAD，但其合成价格是黄金的五倍以上，而且其在应用的时候需要避光，这些问题不仅限制其大规模的生产及应用更加消耗成本，因此，有必要开发低成本的非spiro-MeOTAD的新型空穴传输材料。

碳材料具有导电性好、种类丰富、结构多样化、化学性质稳定、丰富的表面化学性能等优点，同时成本低，在地球中含量丰富，有与Au相近的费米能级。其中疏水性碳电极材料是优良的金属电极替代材料。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，常温下电子迁移率超过15000cm²/V s，为世上电阻率最小的材料。多孔三维结构石墨烯，同时具有高孔隙率和低密度的特性，在能源、环境、催化、生物医疗等领域具有广泛的应用价值。三维结构石墨烯，具有一定的疏水能力，其费米能级大约5.0eV，与钙钛矿太阳能电池的能级匹配。并且气凝胶的孔隙在微观下具有纳米骨架，有很大的可调控密度范围：1000kg/m³至1kg/m³(低于空气的密度)。

石墨烯材料如石墨烯量子点(GQDs)、氧化石墨(GO)和还原氧化石墨烯(RGO)等在钙钛矿太阳能电池中的应用较广泛。Sun等[WU Z,BAI S,XIANG J,et al.Efficientplanar heterojunction perovskite solar cells employing graphene oxide as holeconductor[J].Nanoscale,2014,6(18):10505-10510.]首次将GO替代PEDOT:PSS作为空穴传输层，制作了ITO/GO/CH₃NH₃PbI_3–xCl_1–x/PCBM/ZnO₂/Al结构的钙钛矿太阳能电池，效率提高到12.4％。Yeo等[YEO J S,KANG R,LEE S,et al.Highly efficient and stableplanar perovskite solar cells with reduced graphene oxide nanosheets aselectrode interlayer[J].Nano Energy,2015,12:96-104.]首次将RGO作为空穴传输层用于钙钛矿太阳能电池。制备ITO/RGO/CH₃NH₃PbI₃/PCBM/BCP/Ag结构的钙钛矿太阳能电池。相比GO和PEDOT:PSS组成的器件，RGO与钙钛矿层能级有更好的匹配度，并且适合于钙钛矿活性层，在其表面结晶成膜。

总体而言，目前报道的石墨烯在钙钛矿太阳能电池的应用都是围绕二维平面的石墨烯薄膜取代空穴传输层(电池结构中仍含有贵金属电极如金或银)。目前，仍缺乏将石墨烯制成孔隙可调的三维网络结构，然后应用于太阳能电池中的报道。

发明内容