蘇州大學馬萬里Nature Commun.：室溫直接合成半導體PbS納米晶墨水

kv1004 4年前 (2019-11-27) 5429瀏覽

【引言】

硫化鉛(PbS)納米晶太陽能電池憑借其光譜響應寬、易于加工以及穩定性高等特點備受矚目，為太陽能的有效利用提供了一條重要途徑。目前 PbS 納米晶太陽能電池制備中使用的納米晶材料均是基于經典的熱注射法合成，該方法需使用長鏈的有機配體（油酸）來控制納米晶的生長，但是長鏈的有機配體使得納米晶之間相互絕緣，在制備光電器件過程中需要經過配體交換的步驟，將長鏈有機配體交換成短配體來增強納米晶薄膜的導電性。該配體交換步驟異常繁瑣，不僅增加了器件制備材料和時間成本，而且可能會對納米晶表面造成破壞，引入缺陷態，不利于大批量產業化應用。

【成果簡介】

近日，蘇州大學馬萬里教授（通訊作者）等人從PbS納米晶合成源頭設計，避免引入長鏈有機配體，一步直接制備碘化物包裹的PbS納米晶墨水，獲得的納米晶墨水可以直接用于薄膜制備，完全避免了繁瑣的配體交換過程，大幅簡化了器件制備工藝。并且，該合成方法可以在室溫條件下進行且非常容易進行批量化生產，在實驗室條件下可以實現單次反應制備88g納米晶墨水的產量，該墨水生產成本僅為6 $·g?1，遠低于傳統方法的制備成本44 $·g?1（國內制備成本）。并且該方法具有一定的普適性，可以推廣到CdS和Ag2S等納米晶墨水的直接合成。最后團隊基于PbS-I納米晶制備了光電探測器和太陽能電池，光電探測器的探測率高達1.4?×?1011?Jones，太陽能電池的光電轉換效率高達10%。這種方法大幅簡化了基于納米晶的光電器件制備工藝，且易于批量化生產，為基于納米晶的光電器件的未來商業化鋪平了道路。相關結果以“Room-temperature direct synthesis of semi-conductive PbS nanocrystal inks for optoelectronic applications”為題發表在國際期刊Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1.PbS-I納米晶薄膜的不同制備方法

a.傳統油酸包裹PbS納米晶的合成、配體交換以及薄膜沉積示意圖

b.PbS-I納米晶墨水的一步直接合成及薄膜沉積示意圖

圖2.直接合成PbS-I納米晶墨水的表征

a,b.不同Pb/S前驅體比例的PbS-I納米晶的吸收光譜(a)和光致發光光譜(b)

c,d,e.PbS-I納米晶的TEM圖(c,?d)和XRD圖(e)

圖3.XPS和光電性能

a,b,c.PbS-I納米晶的Pb(a)、I?(b)和O(c)的XPS能譜

d.PbS-I納米晶溶液的瞬態熒光壽命譜

e.PbS-I納米晶的空間電荷局限電流器件的?J-V曲線

f.基于PbS-I的納米晶的場效應晶體管的轉移特性曲線

圖4.基于PbS-I納米晶的光電探測器

a.光電探測器的結構

b.不同強度的光對應的光電流和靈敏度

c.光電探測器的探測率和靈敏度

d.光電探測器的動態響應

圖5.基于PbS-I納米晶的光伏器件

 

a.太陽能電池的器件結構

b.太陽能電池中各功能層能級

c.太陽能電池的J-V曲線

d.太陽能電池的空氣穩定性

【小結】

總而言之，本文開發了一步直接制備PbS-I納米晶墨水的方法。這種方法步驟簡單、原料便宜且易于批量化生產，制備成本遠低于傳統方法。并且納米晶表面鈍化良好，表現出于與傳統方法相當的光電器件性能：光電探測器的探測率高達1.4?×?1011?Jones，太陽能電池的光電轉換效率高達10%。這種方法為基于納米晶的光電器件的未來商業化鋪平了道路。

文獻鏈接：Room-temperature direct synthesis of semi-conductive PbS nanocrystal inks for optoelectronic applications（Nat Commun?10,?5136 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13158-6）

【團隊介紹】

課題組負責人馬萬里：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17,000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。

 

 

【團隊在納米晶太陽能電池領域的工作匯總】

  1. Room-Temperature Direct Synthesis of Semi-Conductive Pbs Nanocrystal Inks for Optoelectronic Applications. Nature Communication, 2019, 10, 5136.
  2. Band-Aligned Polymeric Hole Transport Materials for Extremely Low Energy Loss α-CsPbI3 Perovskite Nanocrystal Solar Cells.” Joule, 2018, 2 (11), 2450-2463.
  3. In situ passivation for efficient PbS quantum dot solar cells by precursor engineering.?Advanced Materials2018, 30 (16), 1704871.
  4. High‐Efficiency PbS Quantum‐Dot Solar Cells with Greatly Simplified Fabrication Processing via “Solvent‐Curing”.?Advanced Materials2018, 30 (25), 1707572.
  5. High-Efficiency Hybrid Solar Cells Based on Polymer/PbSxSe1-x Nanocrystals Benefiting from Vertical Phase Segregation.” Advanced Materials, 2013, 25 (40), 5772-5778.
  6. Ligand Mediated Transformation of Cesium Lead Bromide Perovskite Nanocrystals to Lead Depleted Cs4PbBr6 Nanocrystals.” Journal of the American Chemical Society, 2017, 139 (15), 5309-5312.
  7. 14.1% CsPbI3 Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Cesium Cation Passivation. Advanced Energy Materials, 2019, 9 (28), 1900721.
  8. Broadband enhancement of PbS quantum dot solar cells by the synergistic effect of plasmonic gold nanobipyramids and nanospheres.?Advanced Energy Materials2018, 8 (8), 1701194.
  9. Stable and highly efficient PbS quantum dot tandem solar cells employing a rationally designed recombination layer.?Advanced Energy Materials2017, 7 (15), 1-8.
  10. Toward Scalable PbS Quantum Dot Solar Cells Using a Tailored Polymeric Hole Conductor.?ACS Energy Letters2019, 4, 2850-2858.
  11. Finely Interpenetrating Bulk Heterojunction Structure for Lead Sulfide Colloidal Quantum Dot Solar Cells by Convective Assembly.?ACS Energy Letters2019, 4 (4), 960-967.
  12. Perovskite Quantum Dot Solar Cells with 15.6% Efficiency and Improved Stability Enabled by an α-CsPbI3/FAPbI3 Bilayer Structure”. ACS Energy Letters 2019, 4, 2571?2578.

本文由kv1004供稿。

分享到