Nature Energy：新型策略使PQD太陽能電池兼具高轉化效率和穩定性

一、【科學背景】

膠體量子點(CQDs)由于其獨特的光電特性而引起了廣泛的研究興趣。鹵化鉛鈣鈦礦最近成為CQD的核心材料，在光電應用中比傳統的金屬硫族化合物具有更大的前景。在鈣鈦礦基CQDs (PQDs)中，環境穩定的光活性α-相鈣鈦礦晶體是通過配體輔助表面應變在納米尺度上獲得的。在太陽能電池應用中，與傳統CQDs相比，PQDs具有更低的陷阱密度，顯著抑制了非輻射電荷重組，從而實現了更高的外量子效率(EQE)，同時減少了能量損失。PQDs同時兼具從加工的角度來看，PQD通過將結晶過程與沉積過程分離，在工業制造中比鈣鈦礦薄膜具有優勢。這一特性還允許使用更環保的溶劑，而不是鈣鈦礦薄膜。然而，純無機PQD由于八面體傾斜而產生的相對寬的帶隙(>1.75 eV)限制了太陽通量的有效利用。PQD的溶液可加工性和相穩定性主要歸因于表面配體如油酸(OAc)和油胺(OAm)的存在，但它們的長脂肪鏈會阻礙PQD活性層中的電荷傳輸。因此，用較短的配體代替這些配體是必要的。但這種配體交換過程會導致晶體相位退化，從而對光子到電流的轉換效率產生負面影響。此外，由于有機陽離子與無機籠(PB6八面體)之間的鍵合較弱，因此在不誘導a位陽離子缺陷的情況下選擇性取代有機PQDs的油基配體具有挑戰性。這一挑戰一直是在太陽能電池器件中使用有機PQDs的主要障礙。

二、【科學貢獻】

本文成功地解決了有機PQD在太陽能電池中的應用問題，包括配體交換效率低下和光活性δ相的形成。采用碘化甲基銨(MAI)在異丙醇(IPA)中的配體交換策略，使長鏈油基配體在電子偶聯增強的情況下被取代，同時保持α相的穩定。黑色α相的PQD有源層的使用顯著降低了陷阱密度，優化了EQE并減少了器件中的能量損失。該太陽能電池獲得了18.1%的準穩態(QSS) PCE，在開路條件下照明穩定性為1200小時，在80°C下穩定性為300小時。超過了許多基于量子點的太陽能電池。此外，本工作的相純有機PQD器件表現出增強的長期穩定性。相關成果以“Alkyl ammonium iodide-based ligand exchange strategy for high-efficiency organic-cation perovskite quantum dot solar cells” 為題發表在國際著名雜志Nature Energy上。

圖1不同配體交換方式下PQD層的光伏性能和表面特征；a，本工作所采用的PQD太陽能電池器件架構；b, AM 1.5 G單太陽光照下PQD太陽能電池的J-V特性；c, PQD太陽能電池的EQE光譜；d、e、FTIR (d)和PQD (e)固體根據不同配體交換方法的固態1h - mas NMR譜； f, 1h - mas NMR計算的表面配體/FA比；g、對各種PQD膜進行反卷積的歸一化n1s計數/秒(CPS)。?2024 Springer Nature

圖2 不同配體交換方式對PQD阱態的影響；a， PQD薄膜的TRPL光譜；b，根據TPV/TPC測量計算的PQD太陽能電池中的DOS；c，各種PQD有源膜的電子器件的SCLC測量；d, GIWAXS光譜的面外1D圖；e, 不同配體交換條件下的PQD晶體和表面示意圖； ?2024 Springer Nature

圖3 ?PQD-MAI器件的太陽能電池性能; a、各種PQD太陽能電池的PCE統計; b, PQD太陽能電池在最大功率輸出點的穩定穩定PCE; c，從認可的光伏測試實驗室(Newport)獲得的PQD-MAI器件的QSS J-V特性; d，在不同施加電壓下，由TPV測量確定的器件的電荷重組壽命；e，不同光強下器件的實測VOC(圓)，數據線性擬合(實線)及相應的理想因子(nid)。?2024 Springer Nature

圖4:PQD太陽能電池的長期穩定性；a、電池溫度為~35°C、n2大氣中單太陽光照下開路狀態下未封裝PQD太陽能電池的長期穩定性評估；b，未封裝的PQD太陽能電池在氮氣氣氛下，在80°C下黑暗儲存的PCE跟蹤；c、室溫下，封裝PQD-MAI太陽能電池在黑暗環境下的歸一化PCE。?2024 Springer Nature

三 【創新點】

創造性采用碘化甲基銨(MAI)在異丙醇(IPA)中的配體交換策略，使PQD器件太陽能電池獲得了18.1%的準穩態(QSS) PCE，同時兼具長期穩定性。

四【科學啟迪】

本工作提出的碘化甲基銨(MAI)在異丙醇(IPA)中的配體交換策略為PQD器件太陽能電池的使用開辟了新途徑，具有普適性。

論文詳情：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01450-9

本文由虛谷納物供稿