A low-cost,high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films

第42卷第2期2021年4月Vol.42 No.2Apr. 2021Journal ofCeramics

DOI: ki.tcxb.2021.02.005

NaBr界面修饰S11O2基钙钛矿太阳能电池的研究

骆鹏辉，江和栋，李家科，范学运，郭平春，黄丽群，孙 健，朱 华，王艳香

(景德镇陶瓷大学，江西景德镇333403)

摘 要：采用一步法制备平面结构的钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)。采用旋涂法在SnO2电子传输层

(Electron Transport Layers, ETLs)和钙钛矿层之间插入漠化钠(N^r)界面修饰层，主要研究了 NaBr溶液的浓度对PSCs的

影响，并探索了 NaBr的对电池性能的影响机理。通过XRD、SEM、ATM、XPS、PL、UV-Vis及J-V等对样品的形貌、

结构、吸光度及光电性能等参数进行系统研究。结果表明：NaBr能够增强钙钛矿的结晶性能和光吸收，增强SnO? ETLs

和钙钛矿层之间的界面结合，有效提升电池效率。当NaBr浓度为0.2 mol/L时，器件的光电性能最佳，其光电转换效率

(Photoelectric Conversion Efficiency, PCE)为 16.21%,开路电压(Open-circuit Voltage, Voc)为 1.07 V,短路电流密度

(Short-circuit Current Density, Jsc)为 20.22 mA/cm2,填充因子(Fill Factor, FF)为 75.13%。

关键词：钙钛矿太阳能电池；SnO2电子传输层；NaBr；界面修饰

中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：1000-2278(2021)02-0271-08

NaBr Interface Modification on the Performances of SnO2-based

⼆氧化钛电⼦传输层制备的最⾼效双钙钛矿太阳能电池

全⽂速览

双钙钛矿Cs2AgBiBr6由于具有良好的稳定性以及⽆铅等优势，已经在理论和实验⽅⾯被证明是

⼀种潜在的光伏材料。但由于其禁带宽度较⼤，只能吸收较短波长范围内的光⼦，限制了基于

其制备的太阳能电池的光电流密度和能量转化效率。在这项⼯作中，作者⽤⼀种可以吸收长波

长范围光⼦的含有羧基的叶绿素衍⽣物(C-Chl)去敏化⼆氧化钛作为电⼦传输层,并将其与在短波

长范围内光吸收能⼒较强的Cs2AgBiBr6双钙钛矿材料相结合，成功制备出染料敏化-双钙钛矿太

阳能电池。引⼊C-Chl后的电池的光⼦吸收范围从300-550纳⽶提升⾄300-750纳⽶，电池的光

电流密度明显提升，能量转化效率⾸次超过3%。作者还测试了钙钛矿薄膜在有/⽆C-Chl的⼆氧

化钛上⾯的⽣长情况，发现C-Chl的引⼊并没有对钙钛矿晶粒的⽣长带来负⾯影响。通过光学表

征⼿段，作者发现引⼊C-Chl后，电池的迟滞效应减⼩、载流⼦复合以及电池漏电现象得到抑

制、界⾯间电荷传输加快，⽽电池在空⽓中的稳定性并没有受到影响。

背景介绍

钙钛矿太阳能电池由于其快速提⾼的能量转化效率在近年来受到⼴泛关注，然⽽稳定性和毒性

问题始终制约着钙钛矿材料的⼤规模应⽤。双钙钛矿已经被证明可以有效地解决稳定性和毒性

问题，针对其代表性材料Cs2AgBiBr6的研究已被国内外多个课题组报导，然⽽⼤多数的⼯作都

是关于优化双钙钛矿薄膜的质量，这在本质上不能解决其本⾝带隙过宽、吸光能⼒差等问题。

作为提⾼Cs2AgBiBr6太阳能电池能量转化效率的潜在途径，针对空⽳/电⼦传输层的相关研究却

很少。利⽤叶绿素及其衍⽣物作为光敏材料或空⽳/电⼦传输材料制备的⾮铅钙钛矿太阳能电

池，既可以提⾼电池的光吸收效率，⼜能最⼤程度地减少环境污染。

作者在之前的⼯作中发现，将⼀种含锌的叶绿素衍⽣物(C-Chl)作为空⽳传输材料，不但能够提

⾼对Cs2AgBiBr6薄膜中光⽣空⽳的抽取能⼒，Zn-Chl还可以作为光敏层对太阳能电池的光电流

大学生“纳米科技”兴趣小组的开展

1 纳米材料的基本知识及制备方法

“纳米科技”兴趣小组刚开展时,指导学生查阅文献的方法,为小组成员提指导学生制作太阳电池,首先制作纳米二氧化钛,有很多参数会影响到纳米供相关科技书籍,指导学生掌握相关知识:纳米概念、纳米微粒结构、纳米材料的物理化学性质、纳米材料的制备方法等,启发学生主动学习科学知识,激发学生对纳米科技的兴趣。

针对小组成员是大一新生,理论知识和实验技能相对不足,利用课余时间指导小组成员学习理论知识和常规的实验技能,指导小组成员做一些简单的材料制备实验,熟悉紫外-可见分光光度(UV-Vis)、pH计等分析仪器。给小组成员布置学习任务,按期提交学习心得,督促小组成员尽快掌握基本的理论知识和实验技能。给学生做演示实验,指导实验的关键点。通过言传身教,让学生懂得科学的严谨性,养成多动脑筋、勤观察现象、善于分析的好习惯。指导学生掌握如何设计实验方案,如何记录实验现象,如何进行实验分析和数据处理。组织小组成员进行讨论交流,提高学生独立思考、分析理解能力、动手操作和自主创新的能力;增强学生的综合能力,促进学生素质的全面发展。

在兴趣小组的实施过程中,小组成员通过查阅资料、文献检索、听讲座、看演示实验、动手做实验、讨论交流等方式了解纳米科技,熟悉纳米材料的基础知识,纳米材料的制备方法:共沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法和微乳液法等,能动手制备一些纳米材料,如:纳米二氧化钛、纳米二氧化硅等。

随着小组成员理论知识和实验技能的提高,指导学生掌握实验方案及注意事项,让学生动手做一些实验。指导学生利用实验数据分析实验结果,比较各个工艺路线的优劣,讨论如何设计下一步的实验方案。指导学生记录实验过程,实验现象,以及一些困惑和思考。学生在做科学研究时,兴趣更大,操作更加细致认真。先后做的实验有:纳米二氧化钛的制备,并用紫外-可见分光光度分析纳米二氧化钛的的光化学性质;制备掺杂型纳米二氧化钛材料,纳米二氧化钛和二氧化硅复合材料的制备。纳米TiO2颗粒容易团聚形成较大的聚集体,对纳米TiO2进行表面改性以避免其团聚现象。纳米TiO2颗粒的晶型、颗粒大小对光催化性能起着决定性的作用,分析影响光催化剂晶型、粒径的因素,控制纳米TiO2的晶型和粒径。

三联吡啶的合成及其金属配合物研究进展

1 前言

配位化学早期是在无机化学基础上发展起来的一门边沿学科，如今，配位化学在有机化学与无机化学的交叉领域受到化学家门广泛的关注。有机-金属配合物在气体分离、选择性催化、药物运输和生物成像等方面都有潜在的应用前景，因此日益成为化学研究的热点领域[1-4]。多联吡啶金属配合物在现代配位化学中占据着不可或缺的位置，常见的多联吡啶配体包括2,2'-二联吡啶（bpy）和2,2':6',2''-三联吡啶（tpy）（Fig. 1），Hosseini就把bpy称为“最广泛应用的配体” [5]，与其类似的具有三配位点的tpy的合成及其金属配合物的研究同样是化学家们研究的热点[6-8]。

Fig 1.

三联吡啶的三个吡啶环形成一个大的共轭体系，具有很强的σ给电子能力，配合物中存在金属到配体的d一π*反馈成键作用，因而能与大多数金属离子均形成稳定结构的配合物。然而，三联吡啶金属络合物的特殊的氧化还原和光物理性质受其取代基电子效应的影响。因此，通过引入不同的取代基，三联吡啶金属络合物可用于荧光发光装置以及光电开关等光化学领域[9-10]。在临床医学和生物化学领域中，不管是有色金属的测定还是作为DNA的螯合试剂，三联吡啶衍生物都具有非常广泛的应用前景[11-12]。

2 三联吡啶的合成研究进展

正因为三联吡啶在许多领域都具有潜在的应用价值，所以对其合成方法的研究十分重要。三联吡啶的合成由来已久，早在1932年，Morgan就首次用吡啶在FeCl3存在下反应合成分离出了三联吡啶，并发现了三联吡啶与Fe(Ⅱ)的配合物[13]。目前，合成三联吡啶的方法主要有成环法和交叉偶联法两种。

2.1 成环法 成环法中最常用的反应是Kröhnke缩合反应（Scheme 1）[14]，首先2-乙酰基吡啶溴化得到化合物2，2与吡啶反应生成吡啶溴盐3，3与α,β-不饱和酮4进行Michael加成反应得到二酮5，在醋酸铵存在下进而关环得到三联吡啶。