[发明专利]一种碳量子点及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用

说明书

本发明公开了一种碳量子点及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用，属于碳量子点制备技术和光伏领域。以DMF为溶剂配制蔗糖溶液，之后对蔗糖溶液进行微波反应，最后利用乙醇进行萃取，得到碳量子点。碳量子点的溶剂体系与TiO₂喷雾热解体系相兼容；利用碳量子点的上转换性能，吸收紫外光并发射可见光，提高太阳能电池的光照稳定性，并且能拓宽太阳电池的光谱响应范围；利用碳量子点的下转换性能，吸收近红外光并发射可见光，用于拓宽太阳电池的光谱响应范围。本发明中碳量子点的制备操作简便、采用萃取方式无需高速离心和透析，并且其制备的溶剂体系与钙钛矿电池制备兼容。

技术领域

本发明属于碳量子点制备技术和光伏领域，涉及一种碳量子点及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用。

背景技术

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)因为其值得期待的商业化应用潜力在过去十年间引起了广泛的关注。基于可调的禁带宽度，较长的载流子扩散长度，较低的激子结合能和低成本等诸多优势，卤化铅有机-无机杂化单结PSCs的能量转换效率(PCE)从2009年的3.8％迅速增加到2020年的25.5％。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性较差，容易受到环境中水分、温度甚至光照的影响，这严重制约了其大规模推广与应用。大量科学研究表明，如何避免紫外辐照下有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能衰减，对于提高钙钛矿太阳能电池的光照稳定性至关重要。目前提高钙钛矿太阳能电池光照稳定性的方法大多用的是，通过减少太阳光谱中紫外线的比例可以提高PSC器件的紫外光稳定性，例如在钙钛矿薄膜内掺杂紫外线吸收剂(二苯甲酮类紫外线吸收剂、水杨酸酯类紫外线吸收剂、苯并三唑类紫外线吸收剂、对氨基苯甲酸酯类紫外线吸收剂等)。由于钙钛矿的吸光范围在300-800nm，引入紫外吸收剂时虽然一定程度上提高了紫外稳定性，但减少了钙钛矿薄膜对紫外光的吸收，会降低其电流，从而影响电池效率。

碳量子点是一种碳基零维纳米材料，是由分散的类球状碳颗粒组成，尺寸极小(在10nm以下)。近年来，本领域的科学家已经开发出了各种不同合成碳量子点的方法，根据碳源的不同，这些方法可以大致地分为“自上而下”(Top-down)合成法和“自下而上”(Bottom-up)合成法。“自上而下”合成法是指将大尺寸的碳源通过物理或者化学的方法剥离出尺寸很小的碳量子点。利用“自上而下”合成法合成碳量子点的碳源一般为碳纳米管、碳纤维、石墨棒、碳灰和活性炭等，通过电弧放电、激光销蚀、电化学合成等手段将这些富碳物质进行分解并最终形成碳量子点。“自下而上”合成法与“自上而下”合成法相反，利用分子或者离子状态等尺寸很小的碳材料合成出碳量子点。用“自下而上”法合成碳量子点，多采用有机小分子或低聚物作为碳源，常用的有柠檬酸、葡萄糖、聚乙二醇、尿素、离子液体等。常见的“自下而上”合成方法有化学氧化法、燃烧法、水热/溶剂热法、微波合成法、模板法等。水热/溶剂热或者微波合成法凭借设备简单、效率高等优势成为目前工业化生产的主要方式。然而，无论是水热/溶剂热或者微波合成法，在制备后都需要高速离心、透析等步骤，操作复杂，制备周期长、成本高；且碳量子点制备时所用的溶剂一般为水、油酸、有机物等，大多数的溶剂制备出的碳量子点并不与TiO₂喷雾热解体系相兼容。

发明内容

为了克服上述现有技术中，钙钛矿薄膜中掺杂紫外线吸收剂时会影响电池效率，碳量子点制备周期长、成本高、操作复杂且不能与TiO₂喷雾热解体系相兼容的缺点，本发明的目的在于提供一种碳量子点及其制备方法和在钙钛矿太阳能电池中的应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)以DMF为溶剂，配制蔗糖溶液，之后对蔗糖溶液进行微波反应；

步骤2)将乙醇逐滴加入到微波反应后的蔗糖溶液中，进行萃取，未反应完全的蔗糖被析出，析出后剩余的溶液即为碳量子点。

优选地，步骤1)配制的蔗糖溶液的浓度为0.01～0.1mol/L。