一种表面改性的CeO2纳米材料及产品制造技术

本发明专利技术公开了一种表面改性的CeO2纳米材料及产品，属于钙钛矿太阳能电池领域，所述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。本发明专利技术还提供一种纳米墨水，其中的表面改性的CeO2纳米材料均匀分散在溶剂中。本发明专利技术还提供采用以上纳米墨水制备的粗糙度小于1nm的电子传输层，以及采用该电子传输层制备的三种结构的钙钛矿太阳能电池。本发明专利技术的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，可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。

A surface modified CeO

The invention discloses a surface modified CeO

【技术实现步骤摘要】
一种表面改性的CeO2纳米材料及产品
本专利技术属于钙钛矿太阳能电池
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术提供一种表面改性的高分散CeO2纳米材料及其产品，本专利技术的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，按照本专利技术的一个方面，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。以上专利技术构思中，双极性有机分子具有短链，双极性有机分子包裹或者吸附在CeO2颗粒表面，短链有机悬挂键可增大颗粒之间的作用力，减小颗粒间距，可提升电子传输层的致密性、稳定性以及导电率。此外，溶液中未吸附在CeO2纳米颗粒表面的剩余改性剂低温下即可挥发，无需在高温下处理，不会因为高温而损伤钙钛矿吸光层。按照本专利技术的第二个方面，还提供一种纳米墨水，其包括溶剂，还包括如上所述的表面改性的CeO2纳米材料，所述表面改性的CeO2纳米材料均匀分散在溶剂中。纳米墨水中，表面改性的CeO2纳米材料的质量浓度可为0～3克/毫升。按照本专利技术的第三个方面，还提供一种用于电池的电子传输层，其采用如上所述的纳米墨水制备，其粗糙度小于1nm。可采用旋涂、滴涂、刮涂、挤出涂布等纳米墨水制膜常用方法，得到单层厚度为1纳米～1000纳米厚度的电子传输层。极性、非极性溶液可交替使用，制备多层电子传输层。按照本专利技术的第四个方面，还提供一种正式平面钙钛矿太阳能电池，其包括导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层以及金属电极，所述导电基底、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层依次层叠，所述金属电极与所述空穴传输层电连接，所述电子传输层为如上所限定的电子传输层，并且其厚度小于100nm以保证所述电子传输层的光透过率。按照本专利技术的第五个方面，还提供一种反式单层电子传输层平面钙钛矿太阳能电池，其包括导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层以及金属电极，所述导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、电子传输层依次层叠，所述金属电极与所述电子传输层电连接，所述电子传输层为如上所限定的电子传输层。按照本专利技术的第六个方面，还提供一种反式双层电子传输层平面钙钛矿太阳能电池，其包括导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、第一电子传输层、第二电子传输层以及金属电极，所述导电基底、空穴传输层、钙钛矿吸光层、第一电子传输层、第二电子传输层依次层叠，所述金属电极与所述第二电子传输层电连接，所述第二电子传输层为如上所限定的电子传输层，所述第一电子传输层的电导率不小于第二电子传输层的电导率。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本专利技术中，采用双极性有机分子包裹或者吸附CeO2纳米颗粒，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，则能利用氧化铈的高载流子迁移率、良好的导电性、和机械性能以及制备方法简易的优点，还克服了油酸包裹导致CeO2纳米颗粒导电率差、处理温度高而损伤钙钛矿吸光层的缺点。改性后的CeO2纳米材料能同时在极性溶剂和非极性溶剂中均匀分散，还可减少溶剂对不同结构电池中相邻功能层的侵蚀。更进一步的，乙酰丙酮是双极性短链有机分子，可良好的与各类极性、非极性溶剂互溶。用乙酰丙酮对氧化铈纳米颗粒改性后，其分子链短，并不阻碍电荷及载流子在纳米颗粒之间的传输。此项表面改性的高分散材料，制备成本低廉、光伏特性良好，在钙钛矿太阳能电池中展现了迷人的性能和潜在的应用价值。本专利技术改性的CeO2纳米材料材料可有效地提高了电池器件的稳定性，减少了电池器件材料成本，有利于该类型电池的大规模产业化的应用。附图说明图1是未经改性的CeO2纳米颗粒的场发射透射电子显微镜图；图2(a)、图2(b)是未经改性的CeO2纳米颗粒的高分辨透射电子显微镜图及选区衍射图；图3是未经改性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面改性的CeO

【技术特征摘要】
1.一种表面改性的CeO2纳米材料，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的一种表面改性的CeO2纳米材料，其特征在于，所述双极性有机分子主链的碳链长度不大于五个碳原子。3.如权利要求1或2所述的一种表面改性的CeO2纳米材料，其特征在于，所述双极性有机分子为乙酰丙酮。4.如权利要求1-3之一所述的一种表面改性的CeO2纳米材料，其特征在于，CeO2纳米颗粒的粒径为1nm～100nm。5.如权利要求3所述的一种表面改性的CeO2纳米材料，其特征在于，所述乙酰丙酮和所述CeO2纳米颗粒的摩尔比小于10000:1。6.一种纳米墨水，其包括溶剂，其特征在于，还包括如权利要求1-5之一所述的表面改性的CeO2纳米材料，所述表面改性的CeO2纳米材料均匀分散在溶剂中。7.一种用于电池的电子传输层，其特征在于，其采用如权利要求6所述的纳米墨水制备，其粗糙度小于1nm。8.一种正式平面钙钛矿太阳能电池，其包括导电基...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炜，方睿，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42