[發明專利]一種石墨烯包裹的三維二氧化鈦復合材料TiO2-CdS-RGO及鈣鈦礦太陽能電池

在審

• 申請號: 202210325421.6
• 申請日: 2022-03-30
• 公開（公告）號: CN114605086A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 張亞男;王洪祥;高博文;李群;馮帥;高志崇
• 申請（專利權）人: 泰山學院
• 主分類號: C03C17/36
• 分類號: C03C17/36;C01B32/184;C01G11/02;C01G23/047;H01L51/42;H01L51/44
• 代理公司: 濟南格源知識產權代理有限公司 37306
• 代理人: 張蕾

本發明屬于材料合成和光電轉換技術領域，尤其涉及一種石墨烯包裹的三維二氧化鈦復合材料TiO₂?CdS?RGO及鈣鈦礦太陽能電池。本發明所述的具有獨特能帶匹配的石墨烯包裹的三維介孔二氧化鈦異質結構復合材料TiO₂?CdS?RGO，可作為鈣鈦礦太陽能電池的電子傳輸材料應用于光伏器件。TiO₂?CdS?RGO的三重結構為鈣鈦礦滲透提供了足夠的空隙，有效提高了光生電荷的分離和提取。由于RGO優異的電子傳導性，它可以有效地改善電荷傳輸動力學，TiO₂?CdS?RGO電子傳輸層表現出增強的電荷傳輸能力。所得太陽能電池的光電轉換效率得到較大改善，并且具有良好的長期工作穩定性。

技術領域

本發明屬于材料合成和光電轉換技術領域，尤其涉及一種石墨烯包裹的三維二氧化鈦復合材料TiO₂-CdS-RGO及鈣鈦礦太陽能電池。

背景技術

近年來，有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因其優異的光伏性能和低廉的制備成本，已成為新興的光伏技術。鈣鈦礦電池中最常用的電子傳輸材料是二氧化鈦（TiO₂），但是二氧化鈦與鈣鈦礦存在能量失配，而且紫外光下二氧化鈦表面吸附的氧的解吸會導致器件的穩定性下降。所以制備二氧化鈦復合材料提高其電荷分離效率是提高鈣鈦礦太陽能電池光電性能的重要手段之一。

二氧化鈦與窄帶隙半導體的耦合已被用于改善TiO₂電子傳輸和穩定性等性質。在可見光照射下，窄帶隙半導體可以促進光激發電子從其導帶（CB）傳遞到二氧化鈦導帶，并且有效地俘獲TiO₂的表面缺陷，抑制源自TiO₂層氧空位的本征捕獲點的活化，防止由于載流子復合而引起的電荷損失，從而改善電池的光穩定性。石墨烯的平面結構和大π共軛賦予其獨特而優異的性質，例如高的載流子遷移率，大的理論比表面積，優異的光透射率，抑制光激發載流子的復合和提高光吸收能力。鑒于石墨烯的二維層狀結構和杰出的性質，一些研究人員使用石墨烯量子點（GQDs）或納米片來改善鈣鈦礦、TiO₂和陰極之間的電子轉移。前期的研究中，鈣鈦礦太陽能電池還是存在載流子復合和器件穩定性低的問題。因此，為改善鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能，采取有效辦法提高電荷傳輸效率勢在必行。

發明內容

為解決上述現有技術中存在的問題，本發明合成了具有獨特能帶匹配的介孔TiO₂-CdS-RGO異質結構復合材料，并作為ETL應用于PSCs器件。這個三重結構為鈣鈦礦滲透提供了足夠的空隙，有效提高了光生電荷的分離和提取，由于RGO優異的電子傳導性，它可以有效地改善電荷傳輸動力學，TiO₂-CdS-RGO電子傳輸層表現出增強的電荷傳輸能力。所得太陽能電池的光電轉換效率得到較大改善，并且具有良好的長期工作穩定性。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種石墨烯包裹的三維二氧化鈦復合材料TiO₂-CdS-RGO，所述TiO₂-CdS-RGO為還原氧化石墨烯包裹的沉積了CdS顆粒的介孔分級二氧化鈦球，包括最內層的介孔分級二氧化鈦球，所述介孔分級二氧化鈦球體上沉積有CdS顆粒，最外層包裹有還原氧化石墨烯。

本發明還公開了上述石墨烯包裹的三維二氧化鈦復合材料TiO₂-CdS-RGO的制備方法，包括以下步驟：先合成介孔分級三維二氧化鈦球體，然后將CdS沉積在介孔二氧化鈦上得到二氧化鈦-硫化鎘球體，最后用石墨烯包裹二氧化鈦-硫化鎘球體，再經熱還原，最后得到還原氧化石墨烯包裹的三維二氧化鈦復合材料TiO₂-CdS-RGO。