本技术涉及一种环保荧光碳量子点及其在钙钛矿太阳能电池中的应用,包括空穴传输层、活性层和电子传输层。该荧光碳量子点采用罗丹明B和罗丹明6G为原料,通过特定工艺制备而成。
背景技术
太阳能相对于其他新能源发电设备,具有占地小、成本低、维护简单和可使用年限较长等优点。太阳能领域经过多年的发展,应运而生出多种电池组件,如晶硅太阳能电池、薄膜电池、有机电池和钙钛矿太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池是目前光伏发电中最有发展潜力的一类。不同于晶硅太阳能电池,钙钛矿太阳能电池的种类相当丰富,不同的材料和工艺制作出的电池组可能功能相差极大。钙钛矿太阳能电池按原料主要分为全无机和无机-有机杂化两种,前者稳定性较高但效率相对较低,后者具有极高的效率但耐候性不足。经过多年发展,目前无机-有机类杂化功率转换效率已经高达28%左右,比较接近其单节电池效率理论极限33.7%。其原料及合成工艺方面的研究接近瓶颈,突破非常困难,而对钙钛矿太阳能电池的配套组件和辅用材料进行改良无疑是一个很好的切入点。
光转换材料是将某些波长入射光转换为另一些波长出射光的材料,这类材料包括荧光染料、半导体量子点、碳基纳米材料等。利用这些材料的光转换材料性质,可以使太阳能电池实现对原来无法吸收的太能光光谱组分的吸收,提高太阳能对太阳光的光谱吸收范围,甚至可扩展至全光谱,从而提高了太阳光的利用率。
碳基纳米材料是最具前途的光转换材料之一,在新一代半导体材料、功能材料领域广受关注,其中的碳量子点因其优异的光转换特性、无毒无害的环保生态特性、广泛的前体来源和低廉的制备成本吸引了工业界及科学界的研究、开发。碳量子点的光转换能力包括上转换(低能量转换为高能量)和下转换(高能量转换为低能量)。其中上转换较难实现,一般是吸收红外光发出红光,多用于医疗领域;下转换的应用较为广泛,多是吸收紫外光发出可见光,发出的可见光的波段可根据调整碳基材料的合成原料、合成工艺等进行调整。
目前已有很多研究证明了碳量子点在太阳能领域的巨大作用,太阳能电池可利用的光往往只占太阳辐射中的一小部分,如晶硅太阳能电池主要吸收红光,钙钛矿电池大部分主要吸收绿光,使用碳量子点可以将部分电池组无法吸收的光转换为可吸收波段的光。目前,晶硅太阳能电池方面利用光转换材料的研究已经比较成熟,而钙钛矿太阳能电池与碳基光转换材料结合的研究还较少,多为直接涂敷进行光的转换,少数和电池结构结合的工作主要集中于提高钙钛矿电池的耐候性,这些工作中碳量子点对钙钛矿太阳能电池效率的提升并不突出。
事实上,转化效率更高的无机-有机杂化型钙钛矿太阳能电池因其本身单个结构的中心离子往往是有机胺离子团,一些氮掺杂的表面功能化碳基光转换纳米材料的表面含氮官能团往往也是以氨基的形式存在,两者具有一定表面相容性。碳基光转换纳米材料的光转换能力一般和其量子产率直接挂钩,量子产率越高则对光的转换能力越强,目前一些绿色发光碳基光转换纳米材料的量子产率已经到达了96%。然而目前对将此类高量子产率、氮掺杂的碳基光转换纳米材料与钙钛矿电池活性层结合以提高钙钛矿太阳能电池光利用效率的研究很少,用碳量子点对空穴传输层(HTL)和电子传输层(ETL)的改性研究更是稀缺,这极大减少了钙钛矿太阳能电池性能提升的新机会。
实现思路