[发明专利]一种富勒烯包覆氧化物纳米粒子及在钙钛矿太阳能电池中的应用

说明书

一种富勒烯包覆氧化物纳米粒子及在钙钛矿太阳能电池中的应用，纳米粒子具有核壳结构，内核为粒径≤20nm的N型氧化物纳米粒子，外壳为富勒烯衍生物的单分子层。本发明利用带羧基或邻苯二酚官能团的富勒烯衍生物，与纳米粒子表面羟基发生反应实现共价键连接，对N型氧化物纳米粒子表面进行钝化，实现了对纳米粒子的壳层包覆。将其作为电子传输材料应用到钙钛矿太阳能电池中，有利于纳米粒子形成均匀致密的薄膜，抑制了漏电流的形成，提高了电荷收集效率，并抑制水分子的侵入；同时富勒烯的包覆钝化了纳米粒子表面的缺陷，进而减少器件在电子传输层界面的复合机率，最终应用在钙钛矿太阳能电池中，获得了较好的光电转换效率和稳定性。

技术领域

本发明属于纳米材料和太阳能电池技术领域，涉及一种纳米材料的制备及其作为电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

2009年，日本科学家Kojima等将CH₃NH₃PbI₃作为光吸收层，制备了第一块效率为3.81%的钙钛矿太阳能电池，到现在短短八年间，钙钛矿太阳能电池效率已达23.2%。钙钛矿效率提升如此迅速与其自身拥有高的吸光系数、良好的载流子传输特性、较低的激子束缚能、对缺陷容忍程度高是分不开的。

为了提升空穴和电子传输效率，钙钛矿太阳能电池引入了电子和空穴传输层，它们在提高器件的效率和稳定性都有着非常重要的作用，还影响着太阳能电池器件的柔性。目前的电荷传输层主要分为有机电荷传输材料和无机金属氧化物电荷传输材料两种，由于有机电荷传输材料存在着价格昂贵、不稳定等问题，无机金属氧化物相比有机材料稳定性更好、造价更低廉，所以开发全无机电荷传输层有利于钙钛矿太阳能电池行业的产业化。目前常用的氧化物电荷传输材料包括二氧化钛、二氧化锡、氧化锌等。

氧化镍已经作为一种常见空穴传输材料应用在反式钙钛矿太阳能电池器件中，其效率已经超过20%，但是其顶层的电子传输层却是富勒烯衍生物PC₆₁BM或者C₆₀等昂贵的有机材料。将顶层的电子传输层换成无机氧化物如氧化锌后，器件效率下降为16%。原因是未处理的N型氧化物纳米粒子表面有很多羟基基团，使得在钙钛矿/电子传输层界面处复合严重，另外，在钙钛矿衬底上旋涂的无机氧化物纳米粒子较差的薄膜质量也影响了效率。此外，纳米粒子薄膜不够致密，有较多孔洞，使得水分渗入钙钛矿，降低器件对水分的稳定性。更有报道指出表面的羟基会诱导钙钛矿的热分解，降低器件对温度的稳定性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种富勒烯包覆氧化物纳米粒子，利用含特定官能团的富勒烯与氧化物纳米粒子表面羟基基团反应，钝化了表面缺陷态。同时将该富勒烯包覆氧化物纳米粒子作为电子传输层用于钙钛矿太阳能电池中，减少了钙钛矿/电子传输层界面的复合，提高了器件的效率和稳定性。

本发明所述的一种富勒烯包覆氧化物纳米粒子，其特征在于纳米粒子具有类似核壳结构，内核为粒径≤20nm的N型氧化物纳米粒子，外壳为富勒烯衍生物的单分子层。典型的N型氧化物纳米粒子包括二氧化钛﹑二氧化锡和氧化锌等纳米粒子。

所述的N型氧化物纳米粒子可以通过溶胶一凝胶法、水热法等方法来制备，其表面通常带有大量羟基基团，在四氢呋喃等有机溶剂中具有良好的分散性。

所述的富勒烯衍生物为含有羧基或邻苯二酚等特定官能团，其可通过Prato合成反应制备，富勒烯衍生物在四氢呋喃等溶剂中也具有良好的溶解性。最后利用官能化富勒烯的羧基或邻苯二酚与羟基发生反应，实现纳米粒子与富勒烯之间的共价键连接。富勒烯包覆后的纳米粒子在氯苯或四氢呋喃等溶剂中具有良好的分散性。

本发明所述的一种富勒烯包覆氧化物纳米粒子及在钙钛矿太阳能电池中的应用，其特征是将该富勒烯包覆氧化物纳米粒子作为钙钛矿太阳能电池中的电子传输层材料。