成果简介
与其他传统碳材料相比，煤衍生碳纳米材料具有许多优越特性，例如易于获得的表面、可调的孔隙结构以及简便而精确的表面功能化。因此，煤基碳纳米材料的可控制备对于碳基包晶石太阳能电池（C-PSCs）性能的提高和商业化进程具有重要意义。本文，新疆大学谢亚红 教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Enhancing Efficiency and Stability in Carbon-Based Perovskite Solar Cells by Double Passivation with Ultralow-Cost Coal-Derived Graphene and Its Derivatives”的论文，研究利用煤成功合成了高度稳定且具有商业价值的氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）。与传统方法和商用石墨烯相比，本研究采用的化学氧化和热解工艺温和简单，具有成分可控和不含其他杂质的优点。
在C-PSC的SnO2电子传输层（ETL）顶部加入了 GO或rGO。在优化条件和紫外线-臭氧（UVO）照射下，最终功率转换效率（PCE）从未修改的 12.4% 提高到 14.04%（基于 rGO）和 15.18%（基于 GO），分别提高了 22% 和 31%。光伏性能的提高主要归功于电荷传输能力的增强、更密集的界面接触、载流子分离性能的改善、电导率的提高，以及 GO 中亲水官能团的丰富，它们可以与SnO2 形成更稳定的氢键。在室温和环境湿度下存放 30 天后，改进的无包装器件仍能保持 87% 的最高功率转换效率 (PCE)。本研究介绍了一种实用且易于管理的方法，通过使用从煤中提取的功能性碳纳米材料来提高 C-PSC 的性能。
图文导读
图1.（a） GO和rGO的准备过程。（b） GO 和 （c） rGO 的 SEM 图像。（d） GO 和 （e） rGO 的 TEM 图像。
图2. 制备具有FTO/SnO2/GO（或 rGO）/MAPbI3/碳结构的 C-PSC 器件。
图3. (a)SnO2薄膜、(b)GO-SnO2薄膜和 (c)rGO-SnO2薄膜的俯视SEM图像。(d)GO-SnO2和 (e)rGO-SnO2 的 EDS 图像。
图4。（a） 沉积在FTO衬底上的SnO2膜、GO-SnO2膜和rGO-SnO2膜的FTIR光谱。（b） （a）的局部放大图。（c） 三种薄膜的XPS光谱。（d）Sn3d、（e）O1s和（f）C1s的高分辨率XPS光谱。
图5。（a） GO在SnO2和MAPbI3钙钛矿太阳能电池中的原理图。（b） 具有界面层的碳基MAPbI3太阳能电池的能带。（c） 基于FTO/MAPbIII/CE结构的器件的I–V曲线，其中器件用GO（或rGO）修饰。（d） 具有或不具有GO（或rGO）的钙钛矿器件的紫外-可见光谱、（e）PL发射光谱和（f）TRPL光谱。
图6。（a） J–V曲线，（b）EQE曲线，（c）稳态输出电流密度和效率曲线，（d）三种器件在不同电压下J–V的归一化斜率，（e）–dV/dJ与（Jsc–J）−1的关系图和线性拟合，以及（f）三种设备的光电流密度（Jph）相对于有效偏压（Veff）的关系图。
图7。（a） EIS奈奎斯特图，（b）暗J–V曲线，（c）归一化光电流，（d）归一化光电压，以及（e）三种c-PSC在室温下未封装器件的长期稳定性
小结
利用一种绿色、环保、适应性强的化学氧化和热解工艺，成功地从煤中合成了GO和 rGO。结果表明，通过在 GO/rGO 和SnO2 之间加入末端活性官能团，实现了包晶层的双钝化。GO/rGO与包晶之间的氢键不仅调节了SnO2的结晶度，促进了包晶的结晶，还有效地钝化了表面的氧空位缺陷，增强了导电性。光伏性能的提高可归因于基于 GO（或 rGO）的 C-PSC 的内置电位的提高、SnO2ETL 的电荷势垒的提高、界面电荷积累的减少以及电荷重组的最小化。因此，GO（或 rGO）的加入使 C-PSC 的 PCE 分别从 12.4% 增加到 14.04% 和 15.18%。此外，GO（或 rGO）耐人寻味的特殊结构转变赋予了 C-PSC 更高的耐久性，在随后的 30 天测试中分别保留了 87% 和 81% 的初始 PCE。这项研究为在 C-PSC 中推广使用煤基石墨烯及其衍生物提供了一种实用方法。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c01660
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