[发明专利]一种钙钛矿太阳电池下转换材料的制备及应用

说明书

本发明属于钙钛矿太阳电池领域，公开了一种钙钛矿太阳电池下转换材料的制备及应用。该钙钛矿太阳电池下转换材料的制备具体包括以下步骤：将生物质溶于水中，然后加入双氧水进行反应；反应结束后再加入氮掺杂剂，然后将混合溶液转移至衬有特氟龙的高压釜中进行反应；反应结束后再加入NaBH₄发生还原反应，反应结束后纯化并干燥成粉末状，该样品命名为CD 2，即为钙钛矿太阳电池下转换材料。我们直接将CD 2/CNF混合悬浮液旋涂在PSC光阳极的玻璃上，再烘干以得到一层厚度较薄的复合膜，从而吸收紫外线，并将紫外线转化为可见光。CD 2/CNF复合膜可以有效地延缓PSC的降解，增强光电流的稳定性。

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳电池(Perovskite solar cell,PSC)领域，特别涉及一种钙钛矿太阳电池下转换材料的制备及应用。

背景技术

钙钛矿太阳电池是一种可以高效利用清洁的太阳能的光电器件，对其效率和稳定性的研究对于可持续发展具有重要意义。有机-无机杂化钙钛矿电池(PSC)由于具有如高消光系数、高载流子迁移率、高缺陷容忍因子、长激子扩散长度、激子结合能小以及易溶液法制备等优点，可以充分利用300-800nm波段的太阳光。但钙钛矿太阳电池的紫外不稳定性是重要的问题。据研究报道，在钙钛矿太阳电池暴露于紫外线时，加以一定的湿度、热量会发生降解，会导致器件性能下降。在持续暴露在紫外线下照射1000h后，PSC的光电转换效率(PCE)会下降65％。所以，紫外线会对PSC的性能产生极为不利的影响，而提高PSC对于紫外线照射的稳定性对于其性能至关重要。

目前的研究中，提高PSC稳定性的手段可以分为对电池封装，添加紫外滤光层，以及使用无机、有机下转换材料进行光管理。对电池进行封装提高PSC稳定性的传统手段，但这很难有效的对紫外线照射进行隔绝。例如聚烯烃密封剂对PSC进行封装以隔绝空气环境，但这不能有效的隔绝紫外线照射；聚二甲基硅氧烷(PDMS)在较低温度下封装PSC，但同样无法阻隔紫外线，并且被封装的电池的PCE较低。除了封装技术外，添加紫外滤光层也使用较多。例如具有一定紫外吸收性能的乙烯醋酸乙烯酯(EVA)可以封装PSC，但EVA本身容易老化变黄，并且吸收剂无法对紫外线进行利用。在光阳极上添加紫外滤光层也是一种传统的思路，例如，用多种含氟的高分子聚合物涂覆在PSC的光阳极上，这虽然可以有效吸收紫外线，但涂层可能会影响整体的透光率从而降低光伏性能；在PSC光阳极玻璃中添加铈离子用做紫外吸收层，但是这种方法需要的铈元素价格高昂，且制备工艺较为复杂。更为重要的是，以上的方法仅仅对紫外线进行阻隔，无法对紫外线进行利用。最近的研究中，使用下转换材料有无机下转换材料和有机生物质碳点下转换材料使用较多。能量下转换(EDS)材料吸收高能光子(特别是紫外线)，同时发射主要是可见光的低能光子而成为提高PSC稳定性的理想材料。通过在PSC的光阳极上涂覆下转换材料，将紫外光转化为低能量的可见光，从而不仅可以提高PSC高稳定性，同时还具有提高紫外光区域效率的额外优势。传统的无机下转换材料例如硫化镉、铕掺杂钒酸钇等价格较为昂贵，且含有有害的重金属元素，不利于在实验室进行制备和研究。而有机碳点作为一种易于制备且原料便宜，来源丰富且大多不含有重金属元素的下转换材料，近年来受到了学者的广泛关注。目前的研究中，以柠檬酸、葡萄糖等传统原料制备的具有一定紫外吸收和荧光性能的碳点已被报道用于太阳能电池的下转换层中，但是这些报道中的碳点对于紫外吸收的性能和荧光性能不佳，对器件稳定和效率的提升十分有限，例如用葡萄糖制备碳点可以用作PSC的下转换层，但是用于器件后仅观察到PCE有微弱的提升，并且没有提高器件的稳定性；用柠檬酸也可以制备碳点，在用于太阳能电池的下转换层后也仅观察到了PCE的小幅提升而没有对稳定性有任何表征。近年来，生物质原料例如木素、纤维素、壳聚糖等因其低廉的成本，广阔的来源以及自身具有的独特结构等优势取代传统有机小分子成为制备碳点的新颖原料。通过对本身具有独特结构的生物质原料制备的碳点加以表面改性或者还原可以使得碳点具有更强的紫外吸收性能和荧光性能。但是在目前的研究中，很少有以生物质原料制备的碳点应用于下转换层的报道。例如用玉米粉为原料制备碳点用作下转换材料，但是用此原料制备的碳点的紫外吸收性能不佳且荧光量子产率较低；大豆也可以制备碳点用于下转换材料，但是制备出的碳点紫外吸收性能不佳，荧光性能较弱，量子产率仅为7.14％，并且电池器件的PCE较低，仅为7.97％。这些用生物质制备的于下转换的碳点均存在紫外吸收能力不佳且荧光性能较弱的问题，因为这些研究中所使用的原料由于自身含碳量不高，且不含有紫外吸收的官能团等因素而不适合制备具有高紫外吸收和荧光性能的碳点，并且这些研究中仅用简单地水热法制备碳点，没有为提高碳点荧光性能而对碳点进行改性。以上的方法均存在一些不足，封装电池存在无法有效阻隔紫外线的共性问题，使用紫外滤光层阻隔紫外线的方法无法对紫外线进行利用。而使用传统的无机下转换荧光材料存在价格昂贵且存在有害的重金属元素的问题，使用传统的原料制备的碳点虽然可以用作下转换材料，但是仍然存在紫外吸收性能不佳，荧光性能较弱等问题。所以，选用适当的便宜且无毒性的生物质材料作为制备碳点的原料，并探索合适的制备工艺以提高其紫外吸收和荧光性能是目前研究中需要解决的问题。