蘇州大學Adv. Energy Mater. 納米金雙錐和金球協同增強PbS 量子點太陽能電池

背逆時光 6年前 (2017-12-30) 3488瀏覽

【引言】

硫化鉛(PbS))是一種典型的具有強限域效應的半導體材料，它們的帶隙可以覆蓋整個可見光到中紅外區域。由于其合成簡便，吸光性能優異，易于大面積印刷，且具有獨特的多激子效應，使得它們在光伏領域具有很大的應用潛力。然而，目前的量子點太陽能電池的效率依舊遠低于理論量子效率，降低活性層厚度，提高光吸收是一種有效的提高量子點太陽能電池效率的方法。近年來，諸多研究證實，貴金屬納米粒子的引入能大幅度提高太陽能電池的效率。在已報道過的貴金屬納米晶中，納米金雙錐具有獨特的plasmonic 性能，其光譜可覆蓋可見光和近紅外區域（600-1300 nm）。與金棒相比，金雙錐兩端更為尖銳，具有更優的場增強效應，且隨著光譜的紅移，金雙錐的尺寸增大，其尺寸通常要大于普通的金棒。因此，金雙錐與PbS 量子點太陽能電池相結合，有望大幅度提到光捕獲效率，進而提高電池轉換效率。

【成果簡介】

近日，蘇州大學FUNSOM馬萬里教授課題組和蘇州大學材料與化學化工學部的程絲副教授課題組合作，利用納米金雙錐和金球的協同增強效應，大幅度提高了PbS量子點太陽能電池的效率，并在Adv. Energy Mater. 上發表了題為“Broadband Enhancement of PbS Quantum Dot Solar Cells by the Synergistic Effect of Plasmonic Gold Nanobipyramids and Nanospheres”的研究論文。該論文第一次將金雙錐引入PbS量子點太陽能電池，金雙錐的光譜與傳統PbS量子點的光譜完美匹配。由于近場增強和散射效應，電池的開路電壓及短路電流得到同時提高，電池效率得到大幅度的提高。

【圖文簡介】

圖1. 器件結構示意圖及金雙錐光譜圖

a)引入Au BPs@SiO2-936 和AuNSs@SiO2 的硫化鉛量子點太陽能電池的示意圖

b) Au NSs@SiO2 (上) and Au BPs@SiO2-936 (下) 的TEM 照片

c) 四種不同金雙錐及金球包硅后在水（(A) (C) (E) (H) (K)）及乙醇（(B) (D) (F) (G) (L)）中的消光譜圖。

圖2.不同 PbS 量子點太陽能電池的光電性能

(a)不同PbS電池的J-V曲線

(b)不同PbS 電池的UV-vis-NIR 吸收譜圖

(c)摻雜Au BPs@SiO2-936的PbS 電池的EQE譜圖

(d)摻雜Au NSs@SiO2 PbS 電池的EQE譜圖

圖3. 金雙錐及金球的FDTD場強分布模擬圖(n = 1.336)

(a) Au BPs@SiO2-936的場強分布模擬圖

(b)?Au NSs@SiO2的場強分布模擬圖

圖4. 電池的阻抗譜圖

電池的阻抗譜圖。右上角插入的為Rs 的局部放大譜圖。

圖5. 不同PbS電池的光電性能

?(a) 不同器件的 PCE 曲線

?(b) 不同器件的J-V 曲線

?(c) 不同器件的EQE 曲線

?(d) Jsc 隨光強度的變化

【小結】

金雙錐第一次被應用于PbS量子點太陽能電池，由于金雙錐獨特的plasmonic 效應，PbS量子點太陽能電池的轉換效率從8.09%提高到了8.92%。當將金雙錐和金球混合后引入PbS 太陽能電池，兩種貴金屬納米晶的協同效應導致了寬光譜的吸收增強及電池效率進一步提高到9.58%。

團隊介紹

蘇州大學FUNSOM馬萬里教授和蘇州大學材料與化學化工學部的程絲副教授為該文章的共同通訊作者。碩士生陳思和汪永杰為該文章的共同第一作者。馬萬里教授課題組長期從事有機、納米晶量子點和鈣鈦礦太陽能電池的研究，在Adv. Mater, JACS, Adv. Energy Mater, Nano Energy，Chem. Mater 等期刊發表論文90余篇。程絲副教授課題組主要從事貴金屬納米晶及其應用的相關研究，有豐富的貴金屬合成經驗。

文獻鏈接：Broadband Enhancement of PbS Quantum Dot Solar Cells by the Synergistic Effect of Plasmonic Gold Nanobipyramids and Nanospheres（Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701194）

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