AEM報道: 經銫陽離子鈍化的14.1％CsPbI3鈣鈦礦量子點太陽能電池

【背景介紹】

溶液處理的膠體量子點（CQDs）因其優良的特性而成為下一代光電技術（PVs）的候選者。在過去的十年中，無機CQDs在溶液處理太陽能電池中引起了極大的關注。由于在CQDs合成改性、表面鈍化和器件制備優化方面取得成就，PbS 量子點太陽能電池繼續以驚人的速度發展。雖然CsPbI₃的鈣鈦礦相通常需要在高溫下進行復雜的退火處理來獲得優異的薄膜質量，但是所有具有CsPbX₃化學計量學性質的無機鈣鈦礦納米晶體或量子點由于其組成調整靈活、尺寸可調、缺陷容限高、高的相位穩定性等優點而被廣泛關注。還開發了一種對CsPbI₃量子點薄膜進行甲酰胺碘化物（FAI）處理的方法，該方法可以使薄膜中的載流子遷移率增加一倍，從而提高光電流，并使量子點太陽能電池的效率達到創紀錄的13.4%。通過對量子點的大量研究表明，表面配體可以調節量子點在溶液中的分散性、量子點在薄膜中的電子耦合和陷阱態的密度以及穩定性等方面的特性。因此，進一步了解CsPbI₃量子點太陽能電池制備過程中的配體交換過程以及改善量子點間的電荷傳輸仍然是非常重要的。

【成果簡介】

近日，蘇州大學的馬萬里教授和袁建宇副教授（共同通訊作者）團隊報道了一種利用多種無機銫（Cs）鹽對新型鈣鈦礦量子點進行表面鈍化的有效方法。通過Cs鹽后處理后，不僅可以填補鈣鈦礦表面的空位，而且可以改善量子點之間的電子耦合。實驗結果表明，量子點薄膜的自由載流子壽命、擴散長度和遷移率均得到了提高，有利于制備高效太陽能電池器件的高質量導電量子點薄膜。同時，經過優化處理工藝后，短路電流密度和填充因子顯著提高，CsPbI₃量子點太陽能電池的效率高可以達14.10%，該值也是目前為止文獻報道的CsPbI₃鈣鈦礦量子點電池的效率最高值。此外，通過Cs鹽后處理后，CsPbI₃量子點的表面環境被改善而具有更好的抗濕穩定性。該研究結果為高性能和低陷阱態鈣鈦礦量子點薄膜的設計提供理論依據。研究成果以題為“14.1% CsPbI₃ Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Cesium Cation Passivation”發布在國際著名期刊Adv. Energy Mater.上。本文第一作者：凌旭峰（博士研究生）。

【圖文解讀】

圖一、CsPbI₃量子點太陽能電池的結構和性能表征
（a）CsPbI₃量子點太陽能電池的器件架構；

（b）電池的橫截面SEM圖像；

（c）在反向掃描下測量有或無CsAc處理后電池的J-V曲線；

（d）EQE曲線和電池積分電流。

圖二、w/wo處理后量子點薄膜的形態
（a）對照組的CsPbI₃量子點薄膜的SEM圖；

（b）CsAc處理后CsPbI₃量子點薄膜的SEM圖；

（c）對照組的CsPbI₃量子點薄膜在玻璃/FTO/TiO₂基板上的AFM圖；

（d）CsAc處理后CsPbI₃量子點薄膜在玻璃/FTO/TiO₂基板上的AFM圖。

圖三、有無CsAc處理，對CsPbI₃ 量子點薄膜性能的影響
（a）XPS測量計算出對照組和經CsAc處理的CsPbI₃量子點薄膜中的相對元素比；

（b）電荷載流子產率（φ）與空穴和電子遷移率之和的乘積（∑）；

（c）激發波長為640 nm時量子點薄膜的自由載流子擴散長度；

（d-f）（d）對照組、（e）CsAc處理的薄膜、（f）在特定波長下的對照和CsAc處理的薄膜的TAS延遲。

圖四、利用J_SC和V_OC來研究CsPbI₃量子點器件中的復合過程
（a）J_SC的光強度依賴性；

（b）V_OC測量對照組和CsAc處理的CsPbI₃量子點太陽能電池的光強度依賴性；

（c）對照組和CsAc處理的CsPbI₃量子點太陽能電池的奈奎斯特圖和插入的等效電路模型用于擬合奈奎斯特圖。

圖五、CsPbI₃ 量子點薄膜沉積和CsX后處理過程以及配體去除和Cs鹽后處理后的內部激子生成、電荷捕獲和傳輸過程的示意圖

【小結】

綜上所述，作者報道了一種利用Cs鹽后處理的簡便方法來鈍化CsPbI₃量子點薄膜。研究表明，利用Cs鹽后處理可以填補鈣鈦礦表面的空位，改善量子點之間的電子耦合，有利于制備高質量的導電量子點薄膜。經過不同Cs鹽處理的CsPbI₃量子點太陽能電池的PCE均優于對照裝置的PCE。由于Cs鹽處理后，CsPbI₃量子點薄膜的自由載流子遷移率、壽命和擴散長度均被提高，使得其短路電流密度和填充因子也被顯著提高。更重要的是，由于這些量子點的結構穩定，經Cs鹽處理的CsPbI₃量子點器件具有更好的抗濕穩定性。這些研究結果將為未來高性能鈣鈦礦量子點薄膜的光電性能提供了基礎。

文獻鏈接：14.1% CsPbI₃ Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Cesium Cation Passivation（Adv. Energy Mater. 2019, DOI: 10.1002/aenm.201900721）

通訊作者簡介

馬萬里：蘇州大學功能納米與軟物質研究院(FUNSOM)教授，博士生導師。 2006年獲美國加州大學圣芭芭拉分校理學博士學位（導師為2000年諾貝爾獎獲得者Alan J. Heeger教授），2006-2009年在美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室進行博士后研究（合作導師為美國科學院院士、納米領域先驅A. Paul Alivisatos教授）。2011年入選首批“青年千人計劃”，2012年入選首批NSFC “優秀青年基金”。2011年入選江蘇省“高層次創新創業人才引進計劃”。2012年蘇州市緊缺人才，蘇州高層次海外領軍人才。

從2010年組建團隊至今，專注于新型溶液法制程的新型太陽能電池（基于有機聚合物、無機納米晶、鈣鈦礦材料）研究。在Nat. Mater., Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Phy. Rev. Lett., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等國際重要刊物上發表論文110余篇，授權發明專利近10項。論文總引用次數超16,000次，單篇論文最高引用超過5,000次。2014-2017年連續三年入選中國高引用學者榜單。擔任Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Nano Lett.,等著名國際期刊的審稿人和仲裁。作為首席科學家主持國家高技術研究發展計劃（863計劃）；國家重點研發計劃項目子課題負責人；主持國家自然科學基金面上項目；主持江蘇省自然科學基金面上項目。團隊目前共有成員23人，其中包括教授1名，副教授2名，博士后2名，博士研究生4名，碩士研究生14名。

袁建宇：蘇州大學功能納米與軟物質研究院(FUNSOM)副教授，碩士生導師，蘇州大學優秀青年學者。2016年獲國家公派美國加州大學圣芭芭拉分校聯合培養博士研究生（國內導師馬萬里教授、國外導師Guillermo C. Bazan教授）。2016年9月博士畢業后留校任教，在馬萬里教授團隊從事全聚合物有機太陽能電池和鈣鈦礦量子點太陽能電池的研究。在Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Chem. Mater.等國際期刊發表論文近80篇，其中第一/通訊作者發表論文45篇，被引用2000次，H-index因子為25，已授權中國發明專利6項。榮獲中國青少年科技創新獎，挑戰杯大學生課外學術作品競賽全國一等獎，江蘇省百篇優秀博士論文等國家級和省級榮譽稱號。主持和參與多個國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金科研基金項目。

作者致謝：

本工作的TRMC測試由美國國家可再生能源實驗室（NREL）的Bryon W. Larson博士和Qian Zhao完成，本工作也得到了美國國家可再生能源實驗室（NREL）的Joseph M. Luther教授的指導和幫助，本工作的超快吸收光譜由河南師范大學秦朝朝博士提供測試。本工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、“111”計劃、蘇州納米科學技術協同創新中心及江蘇高校優勢學科建設工程項目的支持。

本文由CQR編譯。

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