一种石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2-CdS-RGO及钙钛矿太阳能电池制造技术

本发明专利技术属于材料合成和光电转换技术领域，尤其涉及一种石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2
‑
CdS
‑
RGO及钙钛矿太阳能电池


[0001]本专利技术属于材料合成和光电转换
，尤其涉及一种石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO及钙钛矿太阳能电池。

技术介绍

[0002]近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池因其优异的光伏性能和低廉的制备成本，已成为新兴的光伏技术。钙钛矿电池中最常用的电子传输材料是二氧化钛（TiO2），但是二氧化钛与钙钛矿存在能量失配，而且紫外光下二氧化钛表面吸附的氧的解吸会导致器件的稳定性下降。所以制备二氧化钛复合材料提高其电荷分离效率是提高钙钛矿太阳能电池光电性能的重要手段之一。
[0003]二氧化钛与窄带隙半导体的耦合已被用于改善TiO2电子传输和稳定性等性质。在可见光照射下，窄带隙半导体可以促进光激发电子从其导带（CB）传递到二氧化钛导带，并且有效地俘获TiO2的表面缺陷，抑制源自TiO2层氧空位的本征捕获点的活化，防止由于载流子复合而引起的电荷损失，从而改善电池的光稳定性。石墨烯的平面结构和大π共轭赋予其独特而优异的性质，例如高的载流子迁移率，大的理论比表面积，优异的光透射率，抑制光激发载流子的复合和提高光吸收能力。鉴于石墨烯的二维层状结构和杰出的性质，一些研究人员使用石墨烯量子点（GQDs）或纳米片来改善钙钛矿、TiO2和阴极之间的电子转移。前期的研究中，钙钛矿太阳能电池还是存在载流子复合和器件稳定性低的问题。因此，为改善钙钛矿太阳能电池的光伏性能，采取有效办法提高电荷传输效率势在必行。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术合成了具有独特能带匹配的介孔TiO2‑
CdS
‑
RGO异质结构复合材料，并作为ETL应用于PSCs器件。这个三重结构为钙钛矿渗透提供了足够的空隙，有效提高了光生电荷的分离和提取，由于RGO优异的电子传导性，它可以有效地改善电荷传输动力学，TiO2‑
CdS
‑
RGO电子传输层表现出增强的电荷传输能力。所得太阳能电池的光电转换效率得到较大改善，并且具有良好的长期工作稳定性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO，所述TiO2‑
CdS
‑
RGO为还原氧化石墨烯包裹的沉积了CdS颗粒的介孔分级二氧化钛球，包括最内层的介孔分级二氧化钛球，所述介孔分级二氧化钛球体上沉积有CdS颗粒，最外层包裹有还原氧化石墨烯。
[0006]本专利技术还公开了上述石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO的制备方法，包括以下步骤：先合成介孔分级三维二氧化钛球体，然后将CdS沉积在介孔二氧化钛上得到二氧化钛
‑
硫化镉球体，最后用石墨烯包裹二氧化钛
‑
硫化镉球体，再经热还原，最后得到还原氧化石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO。
[0007]优选的，所述三维介孔分级TiO2纳米球体的具体制备方法为：将体积比为1.83：55
的钛酸正丁酯和乙酸混合作为反应物，先室温下搅拌24h老化，然后转移到高压釜中保持在150℃ 9
‑
12小时，反应完成后，将产物在10000rpm转速下，离心10min，去掉上清液，得到的白色沉淀继续用去离子水在同样的转速和时间下洗涤三次，随后，将所得白色沉淀物在500℃下烧结3小时，即得到三维介孔分级TiO2纳米球粉末。
[0008]本专利技术还公开了上述石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2
‑
CdS
‑
RGOTiO2‑
CdS
‑
RGO的应用，用作钙钛矿太阳能电池的电子传输层。
[0009]本专利技术还公开了一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，所述太阳能电池包括从下至上依次排列的导电基底、致密TiO2阻挡层（c
‑ꢀ
TiO2）、TiO2‑
CdS
‑
RGO层、FAPbI3钙钛矿层、spiro
‑
MeOTAD空穴传输层（HTM）以及金属对电极层。
[0010]优选的，所述导电基底为FTO导电玻璃基底，即为氟掺杂的氧化锡导电玻璃基底。
[0011]优选的，所述导电基底的电阻<15 ohm/sq，厚度为140
‑
160nm。
[0012]优选的，所述致密TiO2阻挡层的厚度为20
‑
40nm。
[0013]优选的，所述TiO2‑
CdS
‑
RGO层的厚度为600
‑
1000nm。
[0014]优选的，所述FAPbI3钙钛矿层的厚度为200
‑
400 nm。
[0015]优选的，所述FAPbI3钙钛矿层的制备方法是连续沉积溶液法。
[0016]优选的，所述spiro
‑
MeOTAD层厚度为200
‑
300 nm。
[0017]优选的，所述金属对电极为银对电极；所述金属对电极层的厚度为50
‑
70nm。
[0018]上述高效稳定钙钛矿太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：（1）导电基底的预处理；（2）将弱酸性异丙醇钛的乙醇溶液旋涂在步骤（1）所得的预处理后的导电基底上，经高温退火处理得到旋涂有致密TiO2阻挡层的导电基底；（3）将三维介孔分级TiO2纳米球旋涂在步骤（2）所得的导电基底上制备二氧化钛球体薄膜，然后使用连续化学沉积技术将CdS沉积在二氧化钛球体薄膜上，得到二氧化钛
‑
硫化镉球体薄膜；通过静电吸附自组装工艺在二氧化钛
‑
硫化镉球体薄膜上覆盖氧化石墨烯，再经热还原，最后得到带有TiO2‑
CdS
‑
RGO层的导电基底；（4）采用连续沉积溶液法，以FAI和PbI2用作反应前体，先在步骤（3）所得的导电基底上涂覆PbI2，然后浸泡FAI的异丙醇溶液，接着将导电基底退火，得到带有FAPbI3钙钛矿层的导电基底；（5）在步骤（4）所得的导电基底上旋涂spiro
‑
MeOTAD溶液，最后通过真空沉积蒸发银对电极，即得到钛矿太阳能电池。
[0019]优选的，步骤（1）中，所述导电基底的预处理方法如下：将导电基底进行洗涤、干燥，最后进行紫外臭氧处理。优选的，所述洗涤是指：经刻蚀的导电基底依次在清洗剂、丙酮和乙醇中室温超声清洗10
‑
30分钟；所述紫外臭氧处理温度为室温，处理时间为10
‑
30分钟。
[0020]优选的，步骤（2）中，所述旋涂是使用匀胶机将弱酸性异丙醇钛的乙醇溶液旋涂在导电基本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO，其特征在于，所述TiO2‑
CdS
‑
RGO包括最内层的介孔分级二氧化钛球，所述介孔分级二氧化钛球体上沉积有硫化镉颗粒，最外层包裹有还原氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO,其特征在于，其制备方法包括以下步骤：先合成介孔分级三维二氧化钛球体；然后将CdS沉积在二氧化钛球体上得到二氧化钛
‑
硫化镉球体；最后用石墨烯包裹二氧化钛
‑
硫化镉球体，再经热还原，最后得到还原氧化石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO；所述介孔分级三维二氧化钛球体的合成具体包括以下步骤：将钛酸正丁酯和乙酸混合作为反应物，先室温下搅拌老化，然后转移到高压釜中反应，反应完成后，将产物离心，去掉上清液，得到的白色沉淀继续用去离子水离心洗涤三次，随后，将所得白色沉淀物高温烧结，即得到介孔分级三维二氧化钛球体。3.权利要求1
‑
2任一所述的石墨烯包裹的三维二氧化钛复合材料TiO2‑
CdS
‑
RGO的应用，其特征在于，用作钙钛矿太阳能电池的电子传输层。4.一种高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括从下至上依次排列的导电基底、致密TiO2阻挡层、TiO2‑
CdS
‑
RGO层、FAPbI3钙钛矿层、spiro
‑
MeOTAD空穴传输层、金属对电极层。5.根据权利要求4所述的高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述导电基底为FTO导电玻璃基底，即为氟掺杂的氧化锡导电玻璃基底；所述FAPbI3钙钛矿层的制备方法是连续沉积溶液法；所述金属对电极为银对电极。6.根据权利要求5所述的高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，所述导电基底的电阻<15 ohm/sq，厚度为140
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160nm；所述致密TiO2阻挡层的厚度为20
‑
40nm；所述TiO2‑
CdS
‑
RGO层的厚度为600
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1000nm；所述FAPbI3钙钛矿层的厚度为200
‑
400 nm；所述spiro
‑
MeOTAD空穴传输层的厚度为200
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300 nm；所述金属对电极层的厚度为50
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70nm。7.根据权利要求4
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6任一所述的高效稳定钙钛矿太阳能电池，其特征在于，其制备方法，包括以下步骤：（1）导电基底的预处理；（2）将弱酸性异丙醇钛的乙醇溶液旋涂在步骤（1）所得的预处理后的导电基底上，经高温退火处理得到旋涂有致密TiO2阻挡层的导电基底；（3）将三维介孔分级TiO2纳米球旋涂在步骤（2）所得的导电基底上制备二氧化钛球体薄膜；然后使用连续化学沉积技术将CdS沉积在二氧化钛球体薄膜上，得到二氧化钛
‑
硫化镉球体薄膜；通过静电吸附自组装工艺在二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚男，王洪祥，高博文，李群，冯帅，高志崇，
申请(专利权)人：泰山学院，
类型：发明
国别省市：