1. 研究目的与意义（文献综述）
| 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 随着人类社会的持续发展，我们对能源的需求也在不断增加。不可再生能源总有一天这些资源会被消耗殆尽，太阳能取之不尽用之不竭。因此太阳能成为了科研人员的重点研究对象。其实人类对太阳能电池的研究使用已经经历了很多年的沉淀，现在市场上使用的主要是硅光电池，但是硅光电池的制造成本较高，制作工艺较为复杂，效率约为25.6%[1]。所以科研人员也在探索新型高效率低成本材料来获取太阳能。例如钙钛矿太阳能电池。 钙钛矿太阳能电池是一种全新的全固态薄膜电池，它具有成本低，效率高，制作工艺相对简单的优点。其中吸光物质为钙钛矿材料，一般来说钙钛矿太阳能电池的结构可以分为五层。分别是对电极层，空穴传输层，钙钛矿吸收层，致密层，导电玻璃层[2]。当太阳光的强度大于材料的禁带宽度时，电子会被激发，从价带迁跃到导带上。此时钙钛矿吸收层内的电子会流向致密层再流向导电玻璃层。而空穴则流向空穴传输层再流向对电极层。这样就形成了一个回路电流。 石墨烯及其衍生物石墨烯量子点(Graphene Quantum Dots)，不仅具有石墨烯的优异性能，而且由于其尺寸在10nm以下，它可以表现出优秀的量子限域效应和边界效应，这在太阳能光伏器件中有出色的前景。介孔结构的钙钛矿太阳能电池的电子和空穴注入时间分别为0.4 ns和0.6 ns，远大于热载流子的冷却时间约0.4 ps[3]。所以转化的光子能量，大部分以热化能的形式损失，还有一部分因载流子被缺陷俘获而损失。如果充分利用石墨烯及其衍生物的特性，提高电子、空穴提取速率，则可以降低能量的损失，提高电池的效率。Yang [4]等在钙钛矿吸收层和TiO2介孔层之间旋涂5~10 nm的石墨烯量子点，成功组装钙钛矿太阳能电池，效率达10.15%，而无石墨烯量子点超薄层的电池效率是8.81%。可以看出石墨烯量子点应用于钙钛矿太阳能电池可以提高电池稳定性，并且改善电子输运特性，提高电子提取效率，有效抑制载流子复合。虽然石墨烯量子点具有出色的性能和美好前景，但是到目前为止，大批量可控的制备石墨烯量子点仍是一个没有得到有效解决的问题[5]。 2019年我国研究人员快速制备了石墨烯量子点与二氧化锡的复合物，并将其作为电子传输层应用于钙钛矿太阳能电池。通过对掺入量子点尺寸与浓度的研究与性能调控，发现二氧化锡与5纳米的石墨烯量子点复合电子传输层（G5@SnO2）展现出更高的电导性能和更好的薄膜覆盖均匀性，同时，复合电子传输层与钙钛矿之间实现了更合适的能级匹配，这大大促进了界面电荷抽取转移并且抑制了电荷复合。基于G5@SnO2层的钙钛矿电池在刚性和柔性基板上最高光电转化效率分别为19.6%和17.7%[6]。 钙钛矿太阳能电池的研究已经有十余年了，从最初的光电转换效率只有6%左右，经过许多科研人员的研究，其转换效率已经接近硅光电池[7]。在我国南京工业大学先进材料研究院的教授陈永华与中国科学院院士、西北工业大学教授黄维等多位合作者，研究出高效稳定的二维层状钙钛矿太阳能电池，成为离子液体应用在钙钛矿领域的又一突破。相对于现在商用的硅光电池钙钛矿太阳能电池的优点十分诱人，其制造成本低，理论转换效率高，综合性能优异。但是由于技术的不成熟还有很多待解决的问题，比如电池的稳定性问题，电池材料的有毒性，还有电池封装问题[8]。这些问题都使得钙钛矿太阳能电池无法取代现在的硅光电池。基于石墨烯材料的钙钛矿太阳能电池具有可观的未来前景，我相信在科研人员的努力下钙钛矿太阳能电池很快会出现在我们日常的生活中。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 2.1研究的基本内容 钙钛矿太阳能电池拥有诱人的应用前景，但普通的钙钛矿太阳能电池的效率无法达到预期。本文主要研究将石墨烯量子点应用于钙钛矿吸收层和介孔层来提高电子的提取效率，抑制载流子的的复合。利用石墨烯量子点的优异的材料性能，包括高的比表面积和载流子迁移率、良好的热传导率和透光率，优秀的量子限域效应和边界效应，来制备性能更加优异的钙钛矿太阳能电池。 2.2研究的主要目标 研究石墨烯量子点的一些可应用于钙钛矿太阳能电池的特性，理解钙钛矿太阳能电池的基本工作原理。设计并实现基于石墨烯量子点能级调控的钙钛矿太阳能电池，完成实验报告论文。 2.3拟采用的技术方案及措施 覆盖透明导电玻璃(Fluorine-dopedtin oxide)层的衬底作阳极[9]，在其上旋涂一层TiO2，然后500~550℃退火得到多孔TiO2薄膜;接着用旋涂法或者气相沉积法沉积一层厚度约300 nm的CH3NH3PbIxCl3-X钙钛矿；然后再用旋涂法沉积一层Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层；最后用热蒸发法沉积一层银或者金作为阴极。 FTO导电玻璃的刻蚀清洗[10]：取一组规格为1.5*1.5cm2的FTO导电玻璃，通过M3防水胶带保护其2/3的部分，用Zn粉和1mol/L的盐酸刻蚀掉1/3的FTO；用丙酮、异丙醇依次清洗腐蚀后的FTO导电玻璃片子数次，最后浸入去离子水中超声10min。 致密层TiO2的制备：FTO导电玻璃片子在鼓风干燥箱中干燥后，在手套箱中（氮气氛围）以4000rpm-6500rpm旋涂TiO2前驱体溶液，之后立刻拿出手套箱在热台上以450℃加热40min（先120℃20min后升温到450℃恒温40min)，再退火至120℃时，放回培养皿，放回手套箱。TiO2前驱体溶液配方：369μL的钛酸异丙酯TTIP溶于2.53mL的异丙醇，再逐滴加入35μL的2mol/L的盐酸[11]。 钙钛矿层的制备[12]：旋完TiO2后的片子继续以3000rpm-4500rpm旋涂钙钛矿层,之后随即在手套箱热台110℃下加热30min，退火到室温。钙层前驱体溶液配方：PbCl2：碘化甲基胺MAI=1.1:3。 空穴传输层的制备及氧化：旋完钙层的片子，在手套箱中以4000rpm- 6500rpm继续旋涂Spiro层，之后在手套箱中放置8h左右固化，拿出手套箱，放进低湿度干燥塔中氧化12h。Spiro前驱体配方144.6mgSpiro 115.2μLTBP 35μLLi-TFSI 2mL氯苯[13]。 蒸镀电极：将氧化完的片子放入蒸镀机，依次蒸镀8nm MoO3和100nmAg。 电化学法是制备GQDs较为广泛的一种方法[14]。一般采用鳞片石墨和石墨棒为主要原材料，并将其作为工作电极。这种方法采用的电势为-1.5V到 3V左右，其氧化电势比氧化石墨中C-C键要高，电解液中的离子在氧化裂解反应过程中作为碳链的“剪切刀”。氧化还原电势能够促使电解质中的阴离子快速插入到阳极的碳层中，起到氧化插层的作用，阳极的电化学氧化作用和溶液阴离子的嵌入插层作用共同导致石墨片层的分离剥落，从而得到GQDs。 第一步，主要发生在石墨晶粒的缺陷区或者边缘位置，具体为阳极上发生氧化反应，使得石墨阳极表面层增加大量含氧官能团，石墨边缘的官能团进行自由基氧化或羟基化，从而导致石墨阳极上碳原子之间的化学键发生断裂；第二步，氧化反应通过边界层进一步嵌入，使得阴离子进一步插层氧化，石墨表面不断膨胀；第三步，石墨层与层之间进一步氧化裂解为石墨烯纳米片；第四步，氧化的石墨烯纳米片作为产物沉淀下来或者悬浮在溶液中，未氧化的石墨烯纳米片漂浮在溶液表面[15]。进一步研究已经证实，通过改变反应溶液中阴离子的种类和供给电压的大小对产物的尺寸和形貌有很大影响。 |
3. 研究计划与安排
| 3、进度安排 第1－2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，基本确立研究思路。 第3周：修改完成开题报告。 第4周：完成5000字翻译。 第5－6周：查阅资料掌握理解基于石墨烯量子点能级调控的光电池的原理及实现方法，完成论文的部分书写。 第7－8周：制备石墨烯量子点及其衍生物。 第9－10周：制备基于石墨烯量子点的钙钛矿太阳能电池。 第11－12周：根据实验结果，对电池存在的问题进行改善。 第13－15周：完成毕业论文，整理修改。 第16周：准备论文答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
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