紅外量子點合成及其紅外太陽能電池應(yīng)用研究分享
介紹
眾所周知，阻礙光伏器件性能提升的一個重要因素是低于光伏材料帶隙的低能紅外光子無法被充分利用。對于硅而言，大于1100 nm的太陽光不能被吸收，而這部分占據(jù)太陽光光譜能量的20%；對于帶隙更大的鈣鈦礦而言，不能被利用的太陽光顯著增多。因此，若能夠充分吸收這些低能紅外光子并實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，將可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上顯著提升對太陽能的利用率。為此，窄帶隙紅外光伏材料被視為實現(xiàn)低能紅外光子利用的關(guān)鍵所在。
當(dāng)前， III-V族化合物和Ge是窄帶隙光伏材料的典型代表。但是這類半導(dǎo)體材料制備工藝復(fù)雜、成本較高，極大地限制了其廣泛應(yīng)用。近幾年，可溶液工藝制備的量子點材料越來越被研究者們所關(guān)注，這主要是因為量子點具有強烈的量子限制效應(yīng)，其帶隙可精確調(diào)控。此外，量子點還具有高效的多激子產(chǎn)生效應(yīng)，能夠獲得超過100%的外量子效率和極高的光生電流。因此，量子點被視為理想的紅外光伏材料。
華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院張建兵團隊長期致力于硫化鉛（PbS）和硒化鉛（PbSe）紅外量子點的合成及其光電器件研究，近兩年團隊取得了系列進(jìn)展。在本系列中，我們將為大家展示課題組在基于PbS、PbSe量子點的紅外太陽能電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展。
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PbSe QDs是解決目前紅外太陽能電池低JSC的關(guān)鍵。然而，目前還未見關(guān)于窄帶隙PbSe QDs（<1.1 eV）紅外太陽能電池的報道，這可能是由于大尺寸PbSe QDs表面暴露更多高活性的富Se的（100）晶面，導(dǎo)致其表面鈍化工程異常困難。較差的表面鈍化會產(chǎn)生較高的開路電壓（VOC）損失，這也可能是目前寬帶隙PbSe QDs（~1.3 eV）電池性能較差的原因?；谝陨蠁栴}，該課題組將陽離子交換與原位鹵素鈍化相結(jié)合，在PbSe QDs表面外延生長PbS薄殼，獲得了兼具高電子耦合和優(yōu)異表面鈍化的PbSe/PbS核殼量子點，并實現(xiàn)了高效紅外太陽能電池。帶隙位于~0.95 eV的PbSe/PbS核殼量子點紅外太陽能電池在Si過濾后獲得了更高的VOC (0.347 V)，是PbSe QDs器件的1.46倍。此外，由于PbSe QDs核的強電學(xué)耦合特性確保了有效的載流子輸運，PbSe/PbS QDs器件比目前報道的PbS QDs器件表現(xiàn)出更高的紅外JSC (6.38 mA cm-2)。
最終，在未引入光學(xué)結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)了高達(dá)1.24%的Si過濾后的紅外效率，實現(xiàn)PbSe QD基太陽能電池效率高于PbS QD基器件，展示出PbSe/PbS QDs在紅外光電器件中巨大的應(yīng)用潛力。(Adv. Funct. Mater,2021,31,2006864)
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華中科技大學(xué)張建兵副教授、深圳清華大學(xué)研究院檀滿林博士/研究員（共同通訊作者）等人開發(fā)了一種混合配體共鈍化策略，以同時鈍化量子點表面的Pb和Se位點。也就是說，鹵化物陰離子鈍化了Pb位，而Cd陽離子鈍化了Se位。陽離子和陰離子雜化鈍化顯著提高了PbSe QDs薄膜的質(zhì)量，產(chǎn)生了良好的缺陷態(tài)控制和延長的載流子壽命。在這種混合配體處理的基礎(chǔ)上，IR QD太陽能電池同時實現(xiàn)了高VOC和JSC。
最后，在1100nm過濾后的太陽光照明下，PbSe QD太陽能電池的IR-PCE達(dá)到1.31%，是目前PbSe QD紅外太陽能電池的
最高IR-PCE。此外，PbSe QD器件在~1295 nm處具有高達(dá)80％的外部量子效率。(ACS Nano,2021,15,2,3376-3386)
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當(dāng)前，量子點太陽能電池中應(yīng)用
最多的材料是硫化鉛（PbS）膠體量子點，其認(rèn)證的效率已達(dá)到12.5%。缺陷控制是量子點太陽能電池性能提升的關(guān)鍵，并且近期的研究表明PbS量子點表面的{100}面是缺陷的主要來源。當(dāng)前，大部分的研究也集中于PbS量子點的表面鈍化和發(fā)展新的配體交換方案，以達(dá)到消除缺陷的目的，好比是“治療先天缺陷”。華中科技大學(xué)的張建兵團隊和合作者則換一種思路，期望在量子點的合成過程中就抑制{100}面，從源頭上規(guī)避缺陷，直接獲得“身體健康”的PbS量子點。他們基于陽離子交換合成方法，通過控制量子點生長過程中的動力學(xué)和熱力學(xué)平衡來實現(xiàn)晶面的有效調(diào)控。研究表明，在動力學(xué)占主導(dǎo)的生長條件下，量子點各向異性生長，獲得的約3 nm PbS 量子點的幾何結(jié)構(gòu)近似為八面體，表面幾乎僅含{111}晶面；而在熱力學(xué)占主導(dǎo)的生長條件下，量子點各向同性生長，獲得的量子點幾何結(jié)構(gòu)為截角八面體，表面具有{111}和{100}晶面。因此，基于表面近乎只含{111}晶面的量子點光伏器件效率高達(dá)11.5%，相比表面同時含有{111}和{100}晶面的量子點器件效率提升了25%。這項工作將PbS量子點的合成推進(jìn)到新的高度，不再停留在尺寸控制、尺寸均一性和表面鈍化上，通過晶面控制，從源頭上規(guī)避了缺陷，為量子點光電器件的性能優(yōu)化提供了新思路。(Adv. Funct. Mater,2020,30,2000594)
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當(dāng)尺寸增加（帶隙減小）時，PbS量子點對空氣的敏感性顯著增加，容易引入新的缺陷態(tài)。因此，研究者們通常采用陽離子交換方法來合成具有原位鹵素離子鈍化的PbS量子點。但是，這種方法合成出的PbS量子點尺寸分布不佳（尤其大尺寸），影響載流子的遷移。為了解決這一問題，張建兵副教授團隊首次采用ZnS納米棒到PbS量子點的陽離子交換方案，其基本思想是依靠由棒到點轉(zhuǎn)變過程中因部分溶解而釋放的S來維持一定的過飽和度，促進(jìn)量子點的生長并且維持較好的尺寸分布。系統(tǒng)改變合成參數(shù)，在尺寸分布的均勻性、尺寸可控性、重復(fù)性以及宏量制備等方面對陽離子交換合成進(jìn)行優(yōu)化。通過捕獲反應(yīng)和生長的中間態(tài)，研究了從棒到點的形貌轉(zhuǎn)變過程和機理以及量子點的生長控制機制。這種從棒到點的陽離子交換合成出的PbS量子點除了具有極好的尺寸分布外，表面還具有鹵素Cl－離子鈍化，實現(xiàn)了較好的表面缺陷態(tài)控制?；谶@種方案合成的高質(zhì)量大尺寸窄帶隙PbS量子點，我們
最終獲得了效率
世界領(lǐng)先的帶隙為0.95 eV的PbS量子點紅外太陽能電池，其結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如下圖所示。其中，在AM 1.5下，效率高達(dá)10%，800nm長通濾光片下的效率為4.2%，1100nm長通濾光片下的效率為1.1%。(Adv. Funct. Mater,2020,30,1907379)
華中科技大學(xué)張建兵副教授課題組簡介
張建兵，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院/武漢光電國家研究中心雙聘副教授，博士生導(dǎo)師。長期從事量子點（半導(dǎo)體納米顆粒）的溶液工藝合成、表面調(diào)控及其光電應(yīng)用的研究，在該領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在美留學(xué)期間，師承量子點領(lǐng)域的開創(chuàng)者之一、量子點太陽能電池研究的先驅(qū)、量子點中多激子產(chǎn)生效應(yīng)的提出者及國際權(quán)威Arthur. J. Nozik教授。以
第一或通訊作者（包括共同）在本領(lǐng)域頂級期刊，如Nano Letters, ACS Nano, Adv. Func. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Chem. Mater.等發(fā)表論文多篇。研究工作獲得湖北省自然科學(xué)二等獎，并受到華為、TCL、華星光電等知名企業(yè)的關(guān)注。當(dāng)前主要致力于量子點在紅外太陽能電池、短波紅外探測和成像芯片的應(yīng)用研究.
產(chǎn)品信息
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司
“OmniFluo 900” 系列穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。
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