基于还原氧化石墨烯-赤铁矿纳米复合材料的电子传输层的优化，用于高效且稳定的钙钛矿太阳能电池

《Next Materials》：Optimization of reduced graphene oxide-hematite nanocomposite-based electron transport layer for efficient and stable perovskite solar cells

本研究通过系统整合不同浓度的氧化石墨烯（rGO）与赤铁矿（Fe?O?）制备了rGO-Fe?O?杂化电子传输层（ETL），并探究了其对钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能的影响。实验表明，当rGO质量分数为1.5 wt%时，ETL的电子迁移率显著提高，载流子寿命延长至65.34 ns，较纯Fe?O? ETL提升15.95%的功率转换效率（PCE=14.79%），且500小时稳定性测试中，rGO-Fe?O? ETL器件的效率保留率达78%，优于纯Fe?O?器件的66%。机理分析表明，rGO的引入优化了能级排列和界面接触，抑制电荷复合并增强载流子传输效率。

　　在现代可再生能源技术的发展中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光电性能而备受关注。这些新型太阳能电池不仅具备高光吸收效率、可调带隙特性以及较长的电荷扩散长度，还能够实现较低的电荷复合损失，使其成为未来光伏技术的重要研究方向。近年来，钙钛矿太阳能电池的性能已显著提升，其认证的光电转换效率（PCE）在短短十年内已超过27%。然而，为了进一步推动其商业化应用，提升电池的稳定性和效率仍然是关键挑战。

在钙钛矿太阳能电池的结构中，电子传输层（ETL）扮演着至关重要的角色。它不仅负责将光生电子高效地传输至电极，还对电荷复合过程起到抑制作用。因此，优化ETL的材料和结构对于提高整体电池性能至关重要。传统ETL材料如二氧化钛（TiO?）、氧化锌（ZnO）和二氧化锡（SnO?）虽然具备良好的导电性和可加工性，但它们在高温处理和长期稳定性方面存在局限性。例如，TiO?通常需要超过450°C的高温烧结，这限制了其在柔性电子器件中的应用。此外，某些材料如ZnO在与钙钛矿层接触时可能会发生化学反应，导致材料性能下降。而SnO?虽然在效率方面表现良好，但由于锡资源有限，其大规模应用受到制约。

鉴于这些挑战，研究者们开始探索使用其他类型的材料作为ETL的替代方案。其中，赤铁矿（Fe?O?）因其低成本、高可用性以及环境友好性，成为近年来备受关注的候选材料之一。然而，赤铁矿的电荷迁移率较低，限制了其在高效太阳能电池中的应用。为了解决这一问题，研究人员尝试通过引入石墨烯氧化物（GO）并将其还原为还原氧化石墨烯（rGO）来改善赤铁矿的性能。rGO具有优异的导电性、高比表面积以及低缺陷密度，这些特性使其成为一种理想的材料来增强ETL的性能。

本研究重点探讨了rGO修饰的赤铁矿作为ETL在钙钛矿太阳能电池中的应用。通过系统地将rGO浓度从0.5 wt%到2 wt%引入赤铁矿基体，研究人员分析了不同rGO浓度对复合ETL性能的影响。实验结果显示，当rGO的浓度为1.5 wt%时，电池的光电转换效率达到了14.79%，比未修饰的赤铁矿基电池（12.52%）提高了15.95%。这一显著的性能提升主要归因于rGO对电荷提取和复合损失的优化作用。

为了进一步验证这一现象，研究团队采用了多种表征手段，包括光致发光（PL）和瞬态光电压测量。PL测量结果显示，rGO修饰的赤铁矿ETL能够显著减少电荷载流子的复合损失，延长载流子寿命。具体而言，未修饰的赤铁矿ETL中载流子寿命仅为53.76 ns，而加入1.5 wt% rGO后，载流子寿命延长至65.34 ns。这一结果表明，rGO的引入有效改善了ETL与钙钛矿层之间的界面特性，从而促进了电荷的高效传输和减少复合。

此外，rGO修饰的赤铁矿ETL在长期稳定性方面也表现出显著优势。经过500小时的测试，该材料制备的电池仍能保持其初始效率的78%，而未修饰的赤铁矿电池仅能保持66%。这一稳定性提升可能源于rGO对赤铁矿表面缺陷的钝化作用，以及其对电荷传输路径的优化。相比其他rGO复合材料如rGO-TiO?或rGO-ZnO，rGO-Fe?O?在成本、资源可用性和环境友好性方面更具优势，同时其在较低温度下的加工能力使其在柔性电子设备中具有更高的适用性。

在实验方法上，研究团队采用了一种高效的合成路径，通过水热法合成了赤铁矿纳米颗粒，并通过化学还原方法制备了rGO纳米片。随后，通过超声分散技术将不同浓度的rGO与赤铁矿纳米颗粒混合，形成了rGO-Fe?O?纳米复合材料。为了评估其性能，团队还对不同浓度的rGO-Fe?O?材料进行了X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和扫描电子显微镜（SEM）等表征分析。这些分析结果表明，rGO的成功引入显著改变了赤铁矿的晶体结构和表面形貌，形成了更加均匀和紧密的复合材料结构。

在器件制备过程中，团队采用了标准的平面结构（n-i-p），其中rGO-Fe?O?被用作电子传输层，而钙钛矿作为光吸收层。为了确保器件的性能稳定，所有步骤均在无氧环境中进行，并使用氮气流进行干燥处理。最终，通过紫外-可见-近红外光谱仪（UV-Vis-NIR）测量了不同ETL材料的光学性能，结果表明，尽管rGO和赤铁矿均具有一定的光吸收特性，但其整体透光性仍保持在可接受范围内，不会显著影响钙钛矿层对光的捕获能力。

通过电流密度-电压（J-V）测试，研究团队进一步评估了不同rGO浓度对电池性能的影响。结果显示，随着rGO浓度的增加，电池的短路电流密度（J_SC）、开路电压（V_OC）和填充因子（FF）均有所改善。其中，1.5 wt% rGO-Fe?O?的电池在J-V特性上表现出最优的性能，其光电转换效率达到14.79%，比未修饰的赤铁矿电池提高了15.95%。然而，当rGO浓度进一步增加至2 wt%时，效率略有下降，这可能是由于rGO在赤铁矿基体中的过度聚集，导致电荷传输路径受阻或引入新的电荷陷阱。

为了更深入地理解rGO对电池性能的影响机制，研究团队进行了稳态和瞬态PL测量。PL强度的降低表明电荷载流子的复合损失显著减少，这与rGO促进电荷提取和改善界面接触的假设相吻合。此外，瞬态光电压测量进一步验证了rGO对电荷传输的促进作用。结果表明，rGO修饰的赤铁矿ETL能够加速电荷的提取过程，从而减少复合损失，提高电池的稳定性和效率。

在实际应用中，rGO-Fe?O?纳米复合材料不仅具备优异的光电性能，还展现出良好的可扩展性和经济性。这种材料的合成过程相对简单，且所需温度较低，有利于大规模生产和降低成本。此外，其良好的环境适应性和稳定性使其在各种应用场景中具有更大的潜力，包括柔性太阳能电池、建筑一体化光伏（BIPV）和可穿戴电子设备等。

综上所述，本研究通过系统地优化rGO在赤铁矿基体中的浓度，成功开发出一种高效的电子传输层材料。这种材料不仅显著提升了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，还大幅增强了其长期稳定性。未来，研究团队计划进一步探索不同rGO浓度对电池性能的影响，以及如何通过改进制备工艺来实现更大面积的稳定器件生产。这些努力将有助于推动rGO-Fe?O?纳米复合材料在下一代太阳能电池中的广泛应用，为实现高效、稳定和可持续的光伏技术提供新的思路和解决方案。