[发明专利]一种表面改性的CeO2纳米材料及产品

说明书

技术领域

本发明属于钙钛矿太阳能电池技术领域，具体涉及表面改性的CeO₂纳米材料及产品以及该两种材料在异质结太阳能电池中的应用。

背景技术

煤、石油、天然气等为不可再生能源，其总会有消耗殆尽的一天。为保持经济持续稳定快速增长，我们将面临严峻的能源问题。太阳能作为地球能源的主要来源，储量丰富、清洁可再生。各国政府都将研究基于光电转化的太阳能电池，尤其是廉价的太阳能电池技术，作为国家可持续发展战略的重要内容，也是新能源技术发展的重要趋势。

近几年来，钙钛矿太阳能电池发展迅速，受到能源工作者的广泛关注。其最高光电转化效率超过22％，接近传统硅电池的效率，且原材料来源广泛、制备工艺简单，使得钙钛矿太阳能电池成为一种极具竞争力的新型绿色光伏产业。

钙钛矿太阳能电池是以钙钛矿材料作为太阳能电池中的吸光材料的一类电池，钙钛矿材料在太阳光照射后受激发产生电子-空穴对，电子被电子传输材料收集传递至内循环阳极，经由外循环至内循环阴极，从而催化还原已收集空穴的空穴传输材料，行成完整回路。电子-空穴对在电池器件内的传输受电子传输层的的导电性和载流子迁移率的制约，其次，由于钛矿材料本身易在水氧环境中退化，其稳定性受到夹裹在其两侧界面层稳定性的制约，因此，开发出具有高效稳定的无机电荷传输层是发展钙钛矿太阳能电池的关键。

目前，有机电荷传输层具有高效的导电性，然而其载流子迁移率低，需进行额外的离子掺杂，而且其化学稳定性差，易在水氧环境中退化，此外，其分子结构复杂、提纯工艺繁琐、产量低、使用成本高。以硫氰亚铜和碘化亚铜为代表的无定型无机电荷传输材料，由于其结晶度不高、器件效率低、迟滞现象严重等问题，也限制了其广泛的应用。以氧化锌和氧化锡为代表的无机电荷传输材料，由于其本征的良好分散性，使其不能广泛适用于无机电荷传输材料，且难以在单纯的非极性溶剂中分散，而即便少量的极性溶剂对钙钛矿层仍有侵蚀作用。

氧化铈具有无机氧化物的高载流子迁移率，良好的导电性和机械性能，而且它的制备方法简易，能极大地降低材料制备成本。常用的氧化铈制备体系中，包裹氧化铈的油酸可以减缓氧化铈的水热反应，合成出单分散的氧化铈纳米颗粒。但是，包裹在氧化铈纳米颗粒表面的油酸为长链有机分子，导电性差，且极难被清除。油酸通过羧基强烈吸附在氧化铈表面，在碱性溶液中可以彻底地解吸附。但是，解吸附后，氧化铈纳米颗粒在各种常见溶剂中分散度很差，不适合直接制备电荷传输层。

因此，开发出廉价、适用性广泛、高效稳定、且可同时适用于极性和非极性溶剂的无机电荷传输材料具有重要的意义，同时也很有挑战性。

发明内容

针对现有技术中电子传输层载流子迁移率低、化学稳定性差、易在水氧环境中退化、成本高额的问题，本发明提供一种表面改性的高分散CeO₂纳米材料及其产品，本发明的CeO₂纳米材料导电率高、载流子迁移率高、制备工艺简单、化学稳定性好、能级与钙钛矿吸光材料匹配，保证电池器件的光电转换效率，还可极大提高器件的长期稳定性，同时降低器件的材料成本，最终能提升钙钛矿太阳能电池在可再生能源中的竞争力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种表面改性的CeO₂纳米材料，CeO₂纳米颗粒表面包裹有双极性有机分子，以使该CeO₂纳米材料能同时在极性溶剂和非极性溶剂中均匀分散。

进一步的，所述双极性有机分子主链的碳链长度不大于五个碳原子。

进一步的，所述双极性有机分子为乙酰丙酮。乙酰丙酮可在低温下挥发，即便是未包裹在CeO₂纳米颗粒表面的，也可挥发而不影响产品性能。

进一步的，CeO₂纳米颗粒的粒径为1nm～100nm。不同晶体结构的CeO₂纳米颗粒均可适用。

进一步的，所述乙酰丙酮和所述CeO₂纳米颗粒的摩尔比小于10000:1。随着表面改性反应的时间延长，乙酰丙酮在CeO₂纳米颗粒表面吸附更多，改性后产品的分散性更好，但相应的导电率会稍微降低。