可调谐的芳基烷基离子液体稳定的NiO纳米颗粒与还原氧化石墨烯的复合体作为钙钛矿太阳能电池中高效空穴传输层的应用

《Results in Chemistry》：Synthesis of tunable aryl alkyl ionic liquid-stabilized NiO nanoparticles supported reduced graphene oxide as highly efficient hole transport layer in perovskite solar cell

镍氧化物纳米颗粒通过可调芳基烷基离子液体稳定化并复合还原氧化石墨烯，构建高效空穴传输层，显著提升钙钛矿太阳能电池效率至11.2%，解决杂质离子污染问题，并保持长期稳定性。

　　本研究提出了一种创新的合成方法，用于制备镍氧化物（NiO）纳米颗粒，并通过可调的芳基烷基离子液体（TAAILs）对其进行稳定，同时将这些纳米颗粒锚定在还原氧化石墨烯（RGO）上。最终形成的纳米复合材料作为钙钛矿太阳能电池（PSCs）的空穴传输层（HTL），在性能和稳定性方面表现出显著的优势。该方法通过在纳米颗粒形成过程中引入基于咪唑的离子液体，有效阻止了硝酸根离子的吸附，从而解决了传统NiO合成中存在的杂质离子污染问题。所得到的NiO纳米颗粒不仅具有高纯度和结晶性，还呈现出一致的尺寸和均匀的分散状态。此外，RGO与NiO纳米颗粒形成的复合材料使其表面更加粗糙和多孔，这可能有助于提升电荷传输效率并减少电荷复合现象，从而显著提高钙钛矿太阳能电池的整体性能。

当前，全球能源供应高度依赖化石燃料，其使用不仅受限于资源的有限性，还对人类健康和环境造成严重影响。随着全球能源需求预计将在2050年翻倍，开发可持续的替代能源技术成为当务之急。钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能、易于加工以及接近26%的高功率转换效率（PCE），被认为是传统硅基太阳能电池的有力竞争者。然而，其稳定性问题仍然是阻碍商业化的主要障碍之一。特别是在倒置结构的钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层的性能直接影响电池的功能和使用寿命。目前，常用的有机空穴传输材料（如PEDOT:PSS和PTAA）虽然具有良好的性能，但它们的制备过程复杂、化学稳定性差、耐久性有限且成本较高，难以满足大规模应用的需求。

为了克服这些挑战，研究者们开始探索以碳基材料作为空穴传输层的替代方案。其中，石墨烯因其卓越的电导率、高比表面积和机械柔性，被认为是极具潜力的材料。然而，石墨烯在水中的分散性较差，容易发生聚集。为了解决这一问题，通常采用氧化石墨烯（GO）作为前驱体，但GO由于其共轭结构的破坏，导致导电性较差。通过适度的还原处理，可以得到具有良好分散性和导电性的RGO。RGO在钙钛矿太阳能电池中不仅能够降低材料成本，还能够提升电池的稳定性。

然而，RGO本身仍存在一些局限性，例如其较高的膜电阻和疏水性，可能导致电荷传输效率下降和与钙钛矿活性层接触不良。为了解决这些问题，研究者们尝试将p型材料如NiO纳米颗粒引入RGO中，以形成更高效的空穴传输层。NiO因其优异的光学透明度、良好的功函数和内在稳定性，被认为是一种理想的空穴传输材料。NiO纳米颗粒与RGO结合后，不仅提高了电荷提取效率，还减少了电荷复合，从而提升了钙钛矿太阳能电池的性能。然而，传统的NiO纳米颗粒合成方法往往伴随着硝酸根离子的残留，这可能影响电池的长期稳定性和效率。

为了解决这一问题，本研究提出了一种新的合成策略，即在NiO纳米颗粒的制备过程中引入TAAILs。这种离子液体能够在纳米颗粒表面形成保护层，有效防止杂质离子的吸附，从而提高纳米颗粒的纯度和稳定性。此外，TAAILs还能调控纳米颗粒的尺寸、形状和形貌，使其更适合在钙钛矿太阳能电池中使用。在合成过程中，首先将TAAILs加入Ni(NO?)?前驱体中，随后与NaOH反应生成Ni(OH)?，再通过热解获得NiO纳米颗粒。这种方法不仅避免了传统方法中杂质离子的引入，还提高了纳米颗粒的分散性和稳定性。

在制备RGO#NiO-IL纳米复合材料时，研究者采用了Hummer法来合成氧化石墨烯，并通过化学还原获得RGO。随后，将NiO-IL纳米颗粒与RGO复合，形成具有更高孔隙率和表面积的纳米复合材料。这种材料不仅在电荷传输方面表现出色，还能够有效降低界面电阻，从而提升钙钛矿太阳能电池的整体性能。通过FESEM图像可以看出，RGO与NiO纳米颗粒的结合显著改善了材料的微观结构，使其更适合作为空穴传输层。在实际应用中，这种纳米复合材料能够提供更高效的电荷传输路径，减少电荷复合，从而提高电池的效率和稳定性。

在性能测试中，研究者发现使用RGO#NiO-IL作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池，其功率转换效率（PCE）达到了11.2%，约为纯RGO层的两倍。此外，其开路电压（Voc）约为0.97V，短路电流（Jsc）约为16.2mA/cm2，填充因子（FF）接近0.71。这些数据表明，RGO#NiO-IL复合材料在提升电池性能方面具有显著优势。更值得注意的是，该电池在正常空气中存储四个月后仍能保持75%的初始效率，这说明其在长期稳定性方面表现优异。这主要归功于离子液体对纳米颗粒的稳定作用，以及RGO与NiO之间的良好界面接触。

从化学合成的角度来看，TAAILs的引入不仅提升了NiO纳米颗粒的纯度，还通过调控其表面性质，增强了其与RGO的结合能力。研究者通过FTIR和NMR技术对合成的离子液体进行了详细的结构分析，确认了其分子结构的正确性，并揭示了其在纳米颗粒合成中的关键作用。此外，通过热重分析（TGA）和差热分析（DTA），研究者还验证了TAAILs在高温下的稳定性，这对于纳米颗粒的合成和电池的性能至关重要。这些实验数据不仅支持了TAAILs作为稳定剂的可行性，还展示了其在调节纳米颗粒形貌方面的潜力。

在物理特性方面，XRD和Raman光谱分析表明，RGO#NiO-IL纳米复合材料具有良好的结晶性和结构完整性。RGO的（002）晶面特征峰以及NiO的（111）、（200）和（220）晶面特征峰均清晰可见，这说明复合材料在保持RGO的结构特性的同时，也成功地引入了NiO纳米颗粒。此外，FESEM图像显示，NiO纳米颗粒在RGO表面均匀分布，形成了多孔结构，这有助于提升电荷传输效率和界面接触质量。通过这些实验手段，研究者能够全面评估复合材料的物理和化学性质，从而确保其在实际应用中的可靠性。

在光物理性能方面，研究者通过光致发光（PL）光谱分析了钙钛矿层与RGO#NiO-IL复合材料之间的电荷传输效率。结果显示，当RGO#NiO-IL作为空穴传输层时，钙钛矿层的光致发光强度显著降低，这表明电荷复合现象得到了有效抑制。同时，PL淬灭效应的增强进一步支持了电荷转移的高效性。这些现象可以归因于RGO与NiO纳米颗粒之间的协同作用，它们共同形成了一个高效的电荷传输界面，从而提高了钙钛矿太阳能电池的光电性能。

此外，研究者还对钙钛矿太阳能电池的长期稳定性进行了评估。在120天的环境测试中，RGO#NiO-IL复合材料表现出优异的稳定性，其效率仅下降了1%，而纯RGO层的效率则下降了约70%。这种显著的稳定性提升主要得益于离子液体对纳米颗粒的稳定作用，以及RGO对钙钛矿层的保护效果。同时，RGO与NiO之间的结合也有效减少了界面缺陷，防止了离子迁移，从而延长了电池的使用寿命。这些结果表明，RGO#NiO-IL复合材料不仅能够提升钙钛矿太阳能电池的性能，还能够在恶劣环境下保持较高的稳定性。

本研究的创新点在于通过引入TAAILs作为稳定剂，成功解决了传统NiO纳米颗粒合成中的杂质离子污染问题。这一方法不仅提高了纳米颗粒的纯度和结晶性，还使其在溶液中具有更好的分散性，从而避免了高温处理对纳米颗粒结构的破坏。此外，通过将NiO纳米颗粒与RGO结合，研究者不仅优化了空穴传输层的结构，还提升了其电荷传输效率和稳定性。这种新型空穴传输层的开发为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了新的思路。

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。首先，目前的合成方法主要适用于实验室规模，尚未实现大规模生产。因此，未来的研究需要探索更高效的合成路径，如刮刀涂布或喷墨打印技术，以提高制备的可扩展性。其次，虽然在实验室条件下测试了电池的性能，但在实际应用环境中，如高湿度或极端温度条件下，其稳定性仍需进一步验证。此外，目前的研究主要集中于钙钛矿太阳能电池，而NiO-RGO复合材料在其他领域如光催化和医疗应用的潜力尚未完全挖掘。因此，未来的研究可以进一步探索这种复合材料在其他光电子和生物医学领域的应用。

综上所述，本研究通过引入可调的芳基烷基离子液体，成功制备了一种新型的NiO纳米颗粒，将其锚定在RGO上，形成高效的空穴传输层。这种复合材料不仅提高了钙钛矿太阳能电池的功率转换效率，还显著增强了其长期稳定性。未来，随着合成技术的不断优化和应用范围的拓展，这种新型空穴传输层有望在太阳能技术领域发挥更大的作用。