新南威爾士大學(xué)Adv. Mater.：高效硒化鉛量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池——基于鈣鈦礦納米晶體的離子交換鈍化法

【引言】

膠體量子點(diǎn)擁有帶寬可調(diào)節(jié)、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種應(yīng)用前景廣闊的太陽(yáng)能電池材料，其中硒化鉛（PbSe）量子點(diǎn)以多重激子效應(yīng)和高效載流子遷移為著稱(chēng)。然而，硒化鉛量子點(diǎn)在空氣中非常容易氧化，這導(dǎo)致其表面具有較多缺陷，從而限制了對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓和填充因子，阻礙了其光電轉(zhuǎn)發(fā)效率的進(jìn)一步提高。因此，硒化鉛量子點(diǎn)電池急需尋求一種有效鈍化表面缺陷的方法，以提高其在空氣中的穩(wěn)定性與電池效率。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Zhilong Zhang 博士（第一作者）與Shujuan Huang博士（通訊作者）等人在Advanced Materials上發(fā)表題為“A New Passivation Route Leads to Over 8% Efficient PbSe Quantum Dot Solar Cells via Direct Ion Exchange with Perovskite Nanocrystals”的文章。 該文章報(bào)道了一種創(chuàng)新的表面鈍化方法通過(guò)銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶與表面含氯的硒化鉛量子點(diǎn)之間進(jìn)行離子交換，在硒化鉛量子表面形成更穩(wěn)定的混合鹵化物鈍化層。這不僅有效地提高了其熒光量子產(chǎn)率和在空氣中的穩(wěn)定性，更進(jìn)一步地把硒化鉛量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的最高光電轉(zhuǎn)化效率提高至8.2%。這是首次公開(kāi)報(bào)道的光電轉(zhuǎn)化效率超過(guò)8%的硒化鉛量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池。此外，通過(guò)該鈍化處理的器件同時(shí)展示了非常好的空氣穩(wěn)定性，在沒(méi)有封裝的情況下在空氣中存放57天后仍能保持其初始光電轉(zhuǎn)化效率的95%。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 硒化鉛量子點(diǎn)（PbSe QDs）與銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶（CsPbBr3/CsPbI3）之間的離子交換過(guò)程示意圖與交換前后材料的發(fā)光和吸收光譜。

（a）PbSe QDs（Cl鈍化） 與 CsPbBr3/CsPbI3鈣鈦礦納米晶之間的鹵族離子交換過(guò)程示意圖。

（b）交換反應(yīng)后混合物的在紫外燈下的可見(jiàn)區(qū)發(fā)光，其發(fā)光顏色由CsPbBr3/ PbSe的初始混合比例決定。

（c）圖1（b）中的混合物在可見(jiàn)區(qū)的光致發(fā)光光譜。

（d）CsPbI3鈣鈦礦納米晶與PbSe QDs發(fā)生離子交換后的光致發(fā)光光譜變化。

（e）交換反應(yīng)后經(jīng)過(guò)提純的PbSe QDs的吸收與發(fā)光光譜。

圖2. 透射電子顯微鏡（TEM）下的PbSe QDs與鈣鈦礦納米晶混合物和通過(guò)X光能量色散譜（EDS）的得到鹵族元素分布圖。

（a）PbSe QDs與CsPbBr3鈣鈦礦納米晶混合物的TEM照片。

（b）經(jīng)過(guò)CsPbI3鈣鈦礦納米晶處理后的PbSe QDs的TEM照片。

（c）-（d） 氯元素在圖2（a）與（b）中的分布。

（e） 溴元素在圖2（a）中的分布。

（f） 碘元素在圖2（b）中的分布。

圖3. 運(yùn)用不同鈍化處理后的PbSe QDs所制備的太陽(yáng)能電池的性能分析。

（a）以三種不同鈍化處理后PbSe QDs所制備的太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓（J-V）曲線(xiàn)。

（b）PbSe QDs太陽(yáng)能電池的外量子產(chǎn)率曲線(xiàn)。

（c）這三種太陽(yáng)能電池的效率分布圖。

（d）-（e） 未經(jīng)處理與經(jīng)CsPbBr3鈣鈦礦納米晶處理的PbSe QDs薄膜的瞬態(tài)吸收光譜。

（f） 三種PbSe QD太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率隨時(shí)間的變化。

【小結(jié)】

這項(xiàng)研究提出了一種嶄新且高效的硒化鉛量子點(diǎn)鈍化方法。通過(guò)與銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶之間的離子交換，硒化鉛量子點(diǎn)可以獲得更加穩(wěn)定的混合鹵化物鈍化層。這個(gè)方法不僅提升了量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率，更大幅提高了硒化鉛量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與空氣穩(wěn)定性。本項(xiàng)研究的研究團(tuán)隊(duì)在2016年曾在Advanced Energy Materials上報(bào)道了第一個(gè)效率高于7%的硒化鉛量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，而在本項(xiàng)研究中進(jìn)一步把其轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄第一次提升到8%以上。