红外量子点合成及其红外太阳能电池应用研究分享

介绍
众所周知，阻碍光伏器件性能提升的一个重要因素是低于光伏材料带隙的低能红外光子无法被充分利用。对于硅而言，大于1100 nm的太阳光不能被吸收，而这部分占据太阳光光谱能量的20%；对于带隙更大的钙钛矿而言，不能被利用的太阳光显著增多。因此，若能够充分吸收这些低能红外光子并实现高效转换，将可在现有基础上显著提升对太阳能的利用率。为此，窄带隙红外光伏材料被视为实现低能红外光子利用的关键所在。
当前， III-V族化合物和Ge是窄带隙光伏材料的典型代表。但是这类半导体材料制备工艺复杂、成本较高，极大地限制了其广泛应用。近几年，可溶液工艺制备的量子点材料越来越被研究者们所关注，这主要是因为量子点具有强烈的量子限制效应，其带隙可精确调控。此外，量子点还具有高效的多激子产生效应，能够获得超过100%的外量子效率和极高的光生电流。因此，量子点被视为理想的红外光伏材料。
华中科技大学光学与电子信息学院张建兵团队长期致力于硫化铅（PbS）和硒化铅（PbSe）红外量子点的合成及其光电器件研究，近两年团队取得了系列进展。在本系列中，我们将为大家展示课题组在基于PbS、PbSe量子点的红外太阳能电池领域的研究进展。
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PbSe QDs是解决目前红外太阳能电池低JSC的关键。然而，目前还未见关于窄带隙PbSe QDs（<1.1 eV）红外太阳能电池的报道，这可能是由于大尺寸PbSe QDs表面暴露更多高活性的富Se的（100）晶面，导致其表面钝化工程异常困难。较差的表面钝化会产生较高的开路电压（VOC）损失，这也可能是目前宽带隙PbSe QDs（~1.3 eV）电池性能较差的原因。基于以上问题，该课题组将阳离子交换与原位卤素钝化相结合，在PbSe QDs表面外延生长PbS薄壳，获得了兼具高电子耦合和优异表面钝化的PbSe/PbS核壳量子点，并实现了高效红外太阳能电池。带隙位于~0.95 eV的PbSe/PbS核壳量子点红外太阳能电池在Si过滤后获得了更高的VOC (0.347 V)，是PbSe QDs器件的1.46倍。此外，由于PbSe QDs核的强电学耦合特性确保了有效的载流子输运，PbSe/PbS QDs器件比目前报道的PbS QDs器件表现出更高的红外JSC (6.38 mA cm-2)。最终，在未引入光学结构的情况下实现了高达1.24%的Si过滤后的红外效率，实现PbSe QD基太阳能电池效率高于PbS QD基器件，展示出PbSe/PbS QDs在红外光电器件中巨大的应用潜力。(Adv. Funct. Mater,2021,31,2006864) 2
华中科技大学张建兵副教授、深圳清华大学研究院檀满林博士/研究员（共同通讯作者）等人开发了一种混合配体共钝化策略，以同时钝化量子点表面的Pb和Se位点。也就是说，卤化物阴离子钝化了Pb位，而Cd阳离子钝化了Se位。阳离子和阴离子杂化钝化显著提高了PbSe QDs薄膜的质量，产生了良好的缺陷态控制和延长的载流子寿命。在这种混合配体处理的基础上，IR QD太阳能电池同时实现了高VOC和JSC。最后，在1100nm过滤后的太阳光照明下，PbSe QD太阳能电池的IR-PCE达到1.31%，是目前PbSe QD红外太阳能电池的最高IR-PCE。此外，PbSe QD器件在~1295 nm处具有高达80％的外部量子效率。(ACS Nano,2021,15,2,3376-3386) 3
当前，量子点太阳能电池中应用最多的材料是硫化铅（PbS）胶体量子点，其认证的效率已达到12.5%。缺陷控制是量子点太阳能电池性能提升的关键，并且近期的研究表明PbS量子点表面的{100}面是缺陷的主要来源。当前，大部分的研究也集中于PbS量子点的表面钝化和发展新的配体交换方案，以达到消除缺陷的目的，好比是“治疗先天缺陷”。华中科技大学的张建兵团队和合作者则换一种思路，期望在量子点的合成过程中就抑制{100}面，从源头上规避缺陷，直接获得“身体健康”的PbS量子点。他们基于阳离子交换合成方法，通过控制量子点生长过程中的动力学和热力学平衡来实现晶面的有效调控。研究表明，在动力学占主导的生长条件下，量子点各向异性生长，获得的约3 nm PbS 量子点的几何结构近似为八面体，表面几乎仅含{111}晶面；而在热力学占主导的生长条件下，量子点各向同性生长，获得的量子点几何结构为截角八面体，表面具有{111}和{100}晶面。因此，基于表面近乎只含{111}晶面的量子点光伏器件效率高达11.5%，相比表面同时含有{111}和{100}晶面的量子点器件效率提升了25%。这项工作将PbS量子点的合成推进到新的高度，不再停留在尺寸控制、尺寸均一性和表面钝化上，通过晶面控制，从源头上规避了缺陷，为量子点光电器件的性能优化提供了新思路。(Adv. Funct. Mater,2020,30,2000594) 4
当尺寸增加（带隙减小）时，PbS量子点对空气的敏感性显著增加，容易引入新的缺陷态。因此，研究者们通常采用阳离子交换方法来合成具有原位卤素离子钝化的PbS量子点。但是，这种方法合成出的PbS量子点尺寸分布不佳（尤其大尺寸），影响载流子的迁移。为了解决这一问题，张建兵副教授团队首次采用ZnS纳米棒到PbS量子点的阳离子交换方案，其基本思想是依靠由棒到点转变过程中因部分溶解而释放的S来维持一定的过饱和度，促进量子点的生长并且维持较好的尺寸分布。系统改变合成参数，在尺寸分布的均匀性、尺寸可控性、重复性以及宏量制备等方面对阳离子交换合成进行优化。通过捕获反应和生长的中间态，研究了从棒到点的形貌转变过程和机理以及量子点的生长控制机制。这种从棒到点的阳离子交换合成出的PbS量子点除了具有极好的尺寸分布外，表面还具有卤素Cl－离子钝化，实现了较好的表面缺陷态控制。基于这种方案合成的高质量大尺寸窄带隙PbS量子点，我们最终获得了效率世界领先的带隙为0.95 eV的PbS量子点红外太阳能电池，其结构和性能参数如下图所示。其中，在AM 1.5下，效率高达10%，800nm长通滤光片下的效率为4.2%，1100nm长通滤光片下的效率为1.1%。(Adv. Funct. Mater,2020,30,1907379)

华中科技大学张建兵副教授课题组简介

张建兵，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心双聘副教授，博士生导师。长期从事量子点（半导体纳米颗粒）的溶液工艺合成、表面调控及其光电应用的研究，在该领域做出重要贡献，引起学术界和工业界的广泛关注。在美留学期间，师承量子点领域的开创者之一、量子点太阳能电池研究的先驱、量子点中多激子产生效应的提出者及国际权威Arthur. J. Nozik教授。以第一或通讯作者（包括共同）在本领域顶级期刊，如Nano Letters, ACS Nano, Adv. Func. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Chem. Mater.等发表论文多篇。研究工作获得湖北省自然科学二等奖，并受到华为、TCL、华星光电等知名企业的关注。当前主要致力于量子点在红外太阳能电池、短波红外探测和成像芯片的应用研究.
 

产品信息

本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司 “OmniFluo 900” 系列稳态瞬态荧光光谱仪，如需了解该产品，欢迎咨询我司。

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