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现阶段,运用光伏技术将太阳能直接转变为工业和生活可利用的电能,成为解决人类能源危机最具潜力的科技之一。新型太阳电池(如:染料敏化和钙钛矿太阳能电池)具有简单的制备工艺、低廉的材料价格、高的光电效率等优点,商业化前景非常大。本文以石墨烯纳米材料为基础,通过合成一系列同时具备导电-催化性能的石墨烯纳米复合材料,应用于染料敏化太阳电池,替代传统的对电极材料贵金属铂(Pt)电极;同时,本文介绍了一种自掺杂石墨烯纳米材料,作为稳定的空穴传输材料,应用于钙钛矿太阳电池,大大提高了器件的稳定性及光电转换效率。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)我们通过溶剂热法合成了一种新型MoSe2-富勒烯状空心球复合于高氮掺杂石墨烯纳米材料。通过引入了一种小分子表面活性剂抑制MoSe2二维生长,合成了富勒烯状MoSe2空心球;同时,首次实现了溶液法制备石墨烯氮原子掺杂含量的突破(12%N)。这种高氮掺杂石墨烯-MoSe2空心球新型纳米复合材料具有可与Pt媲美的优越催化活性和导电性。将高氮掺杂石墨烯-MoSe2作为染料敏化太阳能电池的对电极,电池效率可以达到10.01%,成功实现了非Pt基染料敏化太阳能电池10%的突破。(2)为进一步提高电池效率,我们选用了催化性能更高的硫化钴与石墨烯进行复合。通过溶剂热法首次合成了一种石墨烯纳米复合材料结构:壳-核结构。利用氮掺杂石墨烯有效包裹CoS纳米晶提高了氮掺杂石墨烯-硫化钴纳米复合材料的导电性能,进而提高了染料敏化太阳电池的影响因子和短路电流;通过合成纯相的CoS纳米晶,提高了纳米复合材料的催化性能。基于这种核-壳氮掺杂石墨烯/CoS纳米复合材料对电极,我们获得了染料敏化电池10.71%的能量转换效率,这是当时世界上非铂基染料敏化太阳能电池获得的最高光电转换效率。(3)我们将重点转向透明的高效电极材料应用于染料敏化太阳能电池。通过控制无机材料的生长条件,成功合成了石墨烯/Cu2S量子点纳米复合对电极材料。我们利用石墨烯的超薄特性和Cu2S量子点的尺寸效应,使得这种纳米复合对电极材料呈现出高导电性能和催化性的同时,仍然具有高透明性。采用这种纳米复合对电极材料组装的染料敏化太阳能电池获得了 7.12%的光电转换效率。(4)我们首次采用自掺杂石墨烯作为空穴传输层,应用于钙钛矿太阳能电池。首先我们利用在氧化石墨烯(GO)中掺杂少量还原态石墨烯(RGO)提高空穴传输层的导电性;同时开发了一种自组装方法制备了GO-RGO薄膜,然后调节GO-RGO的功函数,使其提高到5.25eV。最终基于GO-RGO空穴传输层,钙钛矿太阳能电池的器件光电转换效率为14.11%;由于GO-RGO具有优良的稳定性,进一步提高了器件的稳定性。