Adv. Mater.：開發高于10%效率的硒化鉛膠體量子點太陽能電池

【研究背景】

膠體量子點（CQDs）是一種特殊的納米材料被廣泛探索發光二極管（LED）、光檢測器和光伏（PV）器件。最近，PbSe CQD作為光伏器件的潛在吸收材料出現，對應的硒化鉛CQD太陽能電池具有超過在單結器件的Shockley–Queisser極限效率（31％）的潛力。然而，盡管具有如此吸引人的特性，但是所獲得的PbSe CQD太陽能電池的PCE仍然較低，這主要是由于低的空氣穩定性和薄膜制造過程中缺陷的產生。PbSe中的這些陷阱/缺陷狀態導致復合損失并阻礙電荷傳輸，這最終限制了器件的開路電壓（VOC）和填充因子（FF）。

【成果簡介】

近日，華中科技大學何俊剛、陳超和武漢工程大學劉治田團隊通過原位Cl-和Cd2+離子鈍化合成了高質量的PbSe CQD。然后，進行溶液相配體交換方法，最后一步旋涂法成膜。X射線光電子能譜（XPS）、紅外光響應和超快瞬態吸收（TA）表征表明所獲得的PbSe CQD膜具有較少的陷阱態。采用PbSe CQD制造的最佳PV器件效率可達10.68％，比先前的效率記錄（9.2％）高16％。此外，該設備顯示40天的顯著存儲和8小時的照明穩定性。這種新穎的策略可以提供在低成本和高性能紅外光電器件中使用PbSe CQD的替代途徑。該成果近日以題為“Lead Selenide (PbSe) Colloidal Quantum Dot Solar Cells with >10% Efficiency”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一：高質量PbSe CQD的制備及表征

為了制造高效且穩定的CQD太陽能電池，最初獲得具有高單分散性、良好的空氣穩定性和良好鈍化的高質量PbSe CQD。

（a）分別使用陽離子交換和溶液相配體與Cd2+和金屬鹵化物前體交換的PbI2封端的PbSe CQD納米粒子的示意圖。
（b）分別在辛烷和DMF中配體交換之前和之后的CQD溶液的UV-vis吸收光譜。
（c）配體交換前后CQD溶液的FT-IR光譜。
（d-e）原始和PbI2封端的PbSe CQD薄膜中C-1s和I-3d的XPS光譜。

圖二：高質量PbSe CQD薄膜的表征

在組裝完整的太陽能電池器件之前，作者還研究了由獲得的高質量CQD解決方案制造的PbSe CQD薄膜。

相應處理后PbSe CQD薄膜的（a, d, g）SEM和（b, e, h）AFM圖像。
（c, f, i）各種PbSe CQD薄膜中O-1s的XPS信號。

圖三：不同處理后薄膜的表征

眾所周知，表面氧化是導致有害缺陷的原因。因此，作者認為一步法碘化鉛相比LBL膜涂覆的PbSe CQD膜可以具有更少的缺陷。

（a）在1450nm光激發下的PbSe CQD光電導探測器的光響應。
（b）PbI2封端的PbSe CQD一步膜，PbI2處理的PbSe CQD LBL膜和TBAI處理的PbSe CQD LBL膜的Urbach能量。
（c）歸一化的吸收變化（ΔA）與衰減時間的關系。
（d）PbI2-封端的PbSe CQD一步膜的光譜-時間TA圖。

圖四：器件結構與性能

然后將最佳的一步薄膜以及PbI2處理和TBAI處理的PbSe CQD LBL薄膜組裝成光伏器件，采用ITO/ZnO/PbSe活性層/PbS-EDT/Au的器件結構。

（a）具有有效層厚度≈200nm的代表性器件的橫截面SEM圖像。
（b）層之間能級的對齊。
（c）模擬AM 1.5G照明下標準處理設備的典型J-V（正向和反向掃描）曲線。
（d）EQE光譜和相應的PbI2封端的PbSe CQD基太陽能電池的集成光電流，波長范圍為300-1100nm。

圖五：器件物理特性表征

為了研究代表性器件中改進的VOC和JSC，進行了器件物理特性，如電容-電壓（C-V）和瞬態光電壓（TPV）測量。

（a）PbSe CQD太陽能電池的C?2–V曲線, 其中A (0.09 cm?2)為活性區域。
（b）歸一化的TPV曲線。

圖六：穩定性測試

除了優異的PV參數外，CQD上更好的鈍化可以促進長期的空氣穩定性。因此，未封裝的裝置存儲在環境空氣中，然后測試它們隨時間的性能變化以及光照性能。

（a）長期空氣儲存穩定性評估和（b）在AM 1.5G照射下PbI2封裝的PbSe CQD太陽能電池的連續操作穩定性。

【小結】

總之，我們報道了使用陽離子交換合成和一步膜制造技術的PbSe CQD太陽能電池的記錄PCE為10.68％，具有66.30％的高FF和28.11mA cm-2的JSC。首先，作者使用陽離子交換方法生產空氣穩定和單分散的PbSe CQD。然后使用源自溶液相配體交換的PbSe CQD納米粒子通過一步沉積技術制造具有較少表面缺陷的高質量薄膜。因此，抑制的非輻射復合和長載流子壽命導致太陽能電池的PCE改善，這與光響應和TA結果一致。而且，PbI2封裝的PbSe CQD設備還表現出優異的空氣存儲（40天）和照明穩定性（8小時）。可以認為這一策略可以為未來建造高效穩定的PbSe CQD光伏器件以及其他光電子器件提供有效平臺。

文獻鏈接：Lead Selenide (PbSe) Colloidal Quantum Dot Solar Cells with >10% Efficiency (Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/ adma.201900593)

本文由大兵哥供稿。

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