基于Sm(OH)3/ZnO复合材料的钙钛矿太阳电池电子传输层的研究

As one kind of the most widely used electron-transporting materials of perovskite solar cells (PSC), ZnO exists some challenges to enhance electron transmission and ameliorate electron recombination owing to the existence of the grain boundary and surface defects. Thus, the project proposes a complex modification method to modify the ZnO compact layer by preparing Sm(OH)3 nanoparticles. Sm(OH)3 nanoarray will be synthesized on the compact layer by the hydrothermal method using anodic aluminum oxide (AAO) as template, and ZnO with a loose and porous structure will be further deposited on the Sm(OH)3 nanoarray by means of hydrothermal arc discharge technique. Eventually, the preparation process will be optimized to enhance the power conversion efficiency of PSC. Besides, the problems of electron recombination and perovskite materials decomposition need to be resolved because of the direct contact of Sm(OH)3/ZnO and perovskite materials. We plan to introduce reduce graphene oxide nanosheets (rGO) on the Sm(OH)3/ZnO to improve the extraction and transport properties of electrons. The interface structure, energy level match and electronic transmission between rGO and Sm(OH)3/ZnO electron transport layers will be investigated to build the relationship between the composition, structure and properties. Then explore the mechanism of photon capture, electron-hole separation and transmission in the PSC. This project will provide a solid theoretical and investigative foundation for the application rare earth compounds materials in the PSC.

ZnO是广泛使用于钙钛矿太阳电池（PSC）的电子传输材料，但由于晶界和表面缺陷等问题而造成电子传输慢和电子复合的问题，本项目拟借助Sm(OH)3纳米颗粒对ZnO致密层进行复合改性，采用AAO模板辅助水热法在致密层上制备Sm(OH)3纳米阵列，利用水热电弧放电沉积法在Sm(OH)3纳米阵列表面沉积疏松多孔的ZnO纳米材料。通过优化制备工艺来提高PSC的光电转化效率。同时为了克服Sm(OH)3/ZnO与钙钛矿材料直接接触而引起的电子复合及钙钛矿分解等问题，本项目拟在Sm(OH)3/ZnO电子传输层表面引入还原氧化石墨烯（rGO）薄膜以改善电子提取和传输性能。通过研究Sm(OH)3/ZnO电子传输层与rGO之间的界面结构、能级匹配和电子传输，建立工艺-结构-性能之间的关系，揭示PSC中光子俘获、电子-空穴分离和传输机理，为稀土化合物纳米材料在钙钛矿太阳能电池的应用打下坚实的理论和研究基础。

电子传输层在钙钛矿太阳能电池中起着十分重要的作用，影响着最终电池的光伏性能。目前广泛应用于钙钛矿太阳能电池电子传输层的材料主要是储量丰富、化学稳定性较好的ZnO和TiO2。但是在空穴和电子的分离程度以及导电性方面还有待提高。本项目制备出了性能良好的ZnO薄膜。然后，采用稀土元素离子Sm3+对TiO2进行掺杂改性，制备的Sm3+掺杂TiO2(TiO2:Sm3+)纳米晶材料在拓宽光吸收响应范围的同时，费米能级发生了改变，可促进光生电荷的分离，延长载流子寿命，增加载流子传输能力，表现出了优异的光学吸收和电子传输能力。此外，本项目还采用溶胶-凝胶法对TiO2进行稀土离子Gd3+掺杂，以此作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层。结果表明，微量Gd3+掺杂不会影响TiO2的晶体结构和微观形貌，掺杂之后TiO2的紫外吸收强度增加、改变了TiO2的带隙结构，促进光生电子-空穴的分离，提高了电池的短路电流密度，从而提升了器件的转化效率。此工作证明了稀土元素Sm3+、Gd3+掺杂可以有效地改善钙钛矿太阳能电池的性能，拓宽了稀土元素在催化材料、光电器件等光学领域的应用前景，为实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池器件提供了新思路。此外，本项目采用一步微波水热法制备得到纳米棒组装的三维多级的Zn0.2Cd0.8S微球材料，通过改变EN加入量来调控产物的物相、形貌，最终样品在可见光下的产H2的性能提高了7.5倍，且在150min的可见光照射下，Zn0.2Cd0.8S光催化剂对于RhB的降解率几乎达到80%，证明了Zn0.2Cd0.8S材料可以作为一种在可见光下光解水和降解有机污染物的双功能催化剂。