[發明專利]一種表面改性的CeO2納米材料及產品

有效

• 申請號: 201710106259.8
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106867305B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 陳煒;方睿
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: C09D11/00
• 分類號: C09D11/00;C09D1/00;H01L51/42;H01L51/46;B82Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 王世芳,曹葆青

技術領域

本發明屬于鈣鈦礦太陽能電池技術領域，具體涉及表面改性的CeO₂納米材料及產品以及該兩種材料在異質結太陽能電池中的應用。

背景技術

煤、石油、天然氣等為不可再生能源，其總會有消耗殆盡的一天。為保持經濟持續穩定快速增長，我們將面臨嚴峻的能源問題。太陽能作為地球能源的主要來源，儲量豐富、清潔可再生。各國政府都將研究基于光電轉化的太陽能電池，尤其是廉價的太陽能電池技術，作為國家可持續發展戰略的重要內容，也是新能源技術發展的重要趨勢。

近幾年來，鈣鈦礦太陽能電池發展迅速，受到能源工作者的廣泛關注。其最高光電轉化效率超過22％，接近傳統硅電池的效率，且原材料來源廣泛、制備工藝簡單，使得鈣鈦礦太陽能電池成為一種極具競爭力的新型綠色光伏產業。

鈣鈦礦太陽能電池是以鈣鈦礦材料作為太陽能電池中的吸光材料的一類電池，鈣鈦礦材料在太陽光照射后受激發產生電子-空穴對，電子被電子傳輸材料收集傳遞至內循環陽極，經由外循環至內循環陰極，從而催化還原已收集空穴的空穴傳輸材料，行成完整回路。電子-空穴對在電池器件內的傳輸受電子傳輸層的的導電性和載流子遷移率的制約，其次，由于鈦礦材料本身易在水氧環境中退化，其穩定性受到夾裹在其兩側界面層穩定性的制約，因此，開發出具有高效穩定的無機電荷傳輸層是發展鈣鈦礦太陽能電池的關鍵。

目前，有機電荷傳輸層具有高效的導電性，然而其載流子遷移率低，需進行額外的離子摻雜，而且其化學穩定性差，易在水氧環境中退化，此外，其分子結構復雜、提純工藝繁瑣、產量低、使用成本高。以硫氰亞銅和碘化亞銅為代表的無定型無機電荷傳輸材料，由于其結晶度不高、器件效率低、遲滯現象嚴重等問題，也限制了其廣泛的應用。以氧化鋅和氧化錫為代表的無機電荷傳輸材料，由于其本征的良好分散性，使其不能廣泛適用于無機電荷傳輸材料，且難以在單純的非極性溶劑中分散，而即便少量的極性溶劑對鈣鈦礦層仍有侵蝕作用。

氧化鈰具有無機氧化物的高載流子遷移率，良好的導電性和機械性能，而且它的制備方法簡易，能極大地降低材料制備成本。常用的氧化鈰制備體系中，包裹氧化鈰的油酸可以減緩氧化鈰的水熱反應，合成出單分散的氧化鈰納米顆粒。但是，包裹在氧化鈰納米顆粒表面的油酸為長鏈有機分子，導電性差，且極難被清除。油酸通過羧基強烈吸附在氧化鈰表面，在堿性溶液中可以徹底地解吸附。但是，解吸附后，氧化鈰納米顆粒在各種常見溶劑中分散度很差，不適合直接制備電荷傳輸層。

因此，開發出廉價、適用性廣泛、高效穩定、且可同時適用于極性和非極性溶劑的無機電荷傳輸材料具有重要的意義，同時也很有挑戰性。

發明內容

針對現有技術中電子傳輸層載流子遷移率低、化學穩定性差、易在水氧環境中退化、成本高額的問題，本發明提供一種表面改性的高分散CeO₂納米材料及其產品，本發明的CeO₂納米材料導電率高、載流子遷移率高、制備工藝簡單、化學穩定性好、能級與鈣鈦礦吸光材料匹配，保證電池器件的光電轉換效率，還可極大提高器件的長期穩定性，同時降低器件的材料成本，最終能提升鈣鈦礦太陽能電池在可再生能源中的競爭力。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種表面改性的CeO₂納米材料，CeO₂納米顆粒表面包裹有雙極性有機分子，以使該CeO₂納米材料能同時在極性溶劑和非極性溶劑中均勻分散。

進一步的，所述雙極性有機分子主鏈的碳鏈長度不大于五個碳原子。

進一步的，所述雙極性有機分子為乙酰丙酮。乙酰丙酮可在低溫下揮發，即便是未包裹在CeO₂納米顆粒表面的，也可揮發而不影響產品性能。

進一步的，CeO₂納米顆粒的粒徑為1nm～100nm。不同晶體結構的CeO₂納米顆粒均可適用。

進一步的，所述乙酰丙酮和所述CeO₂納米顆粒的摩爾比小于10000:1。隨著表面改性反應的時間延長，乙酰丙酮在CeO₂納米顆粒表面吸附更多，改性后產品的分散性更好，但相應的導電率會稍微降低。