Adv. Funct. Mater.： “大塊頭”膠質量子點助力高效穩定量子點敏化太陽能電池

【引言】

隨著社會的高速發展和人口的急劇膨脹，人們對能源的需求也隨之增長。尋求高效、清潔的可再生能源是全世界各國的共同目標。量子點敏化太陽能電池（QDSCs），是被廣泛認為具有廣闊應用前景的新型太陽能電池之一。其中，膠質量子點由于其可調帶隙，較大偶極矩，穩定的溶液加工工藝和寬光譜范圍內的高消光系數，可以有效提高敏化太陽能電池的光轉化效率。但是，由于在金屬氧化物/量子點/電解液界面處及量子點內部發生的載流子復合，嚴重影響了其光轉換效率。進一步優化材料結構，提升量子點敏化太陽能電池光電轉換效率仍是科研人員面臨的巨大挑戰。

【成果簡介】

近日，電子科技大學基礎與前沿研究院Federico Rosei教授，王志明教授和加拿大魁北克省立科學研究院趙海光博士（共同通訊作者）合作，制備出了CdSe/(CdS)_x核殼結構量子點（QDs）。通過連續離子層吸附反應法調節量子點殼層厚度，優化其光電性能。在模擬一個太陽照度AM 1.5G（100 mW cm^-2）下，CdSe/(CdS)₆量子點具有高光電轉換效率（3.01%），大電流密度（9.30 mA cm^-2），高開路電壓（0.539 V）和較大填充因子（60%）。為進一步提高該材料的光伏性能，合作團隊合成制備出了CdSe/(CdSe_xS_1?x)₄/(CdS)₂ (x = 0.5) 和CdSe/(CdSe_xS_1?x)₅/(CdS)₁ (x = 0.1–0.9) 核殼結構量子點。測試結果表明，其光電轉換效率分別高達5.12%和6.86%。該成果以“Highly Stable Colloidal “Giant” Quantum Dots Sensitized Solar Cells”為題于2017年6月26日發表在期刊Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖一：QDSCs工作原理圖及CdSe/(CdS)_x (x = 0, 2, 6, 13) 核殼結構QDs電子能帶工程示意圖

CdSe/(CdS)x (x = 0, 2, 6, 13) 核殼結構QDs電子能帶工程：CdSe核（紅色）與不斷增加的厚度的CdS殼層（黃色）含有或不含界面合金層CdSe_xS_1?x (x = 0.5)。R為核的半徑， H為殼層厚度。

圖二：材料的結構表征和光譜分析

（a）在CdS連續離子層吸附反應循環前的TEM圖像；

（b）6次CdS連續離子層吸附反應循環后的TEM圖像；

（c）13次CdS連續離子層吸附反應循環后的TEM圖像；

（d）4次CdSe_xS_1-x(x = 0.5)和2次 CdS連續離子層吸附反應循環后的TEM圖像；

（e）d圖的HRTEM圖像；

（f）CdSe/(CdS)₆ QDs 敏化的TiO₂薄膜HRTEM圖像；

（g）不同次數CdS 和CdSe_xS_1-x連續離子層吸附反應循環前后CdSe QDs尺寸分布圖像；

（h）不同次數CdS連續離子層吸附反應循環前后CdSe QDs在甲苯中的紫外-可見吸收光譜圖；

（i）對應的QDs在甲苯中的熒光光譜圖。

圖三：不同殼層厚度對材料光伏性能的影響

（a）在一個太陽照度下，CdSe/(CdS)_x 核殼結構量子點敏化電池的J-V曲線，顯示殼厚度對光伏性能的影響；

（b）開路電壓衰變與時間的函數圖像；

（c）電子壽命(τ )與開路電壓的的函數圖像；

（d）復合電阻R_rec與偏壓V_bias的函數圖像；

（e）化學電容C_μ與偏壓V_bias的函數圖像；

（f）電子壽命(τ )與偏壓V_bias的函數圖像。

圖四：穩定性及可重復性性能研究

基于“巨型”合金核/殼量子點，CdSe /（CdS）₆核/殼量子點和裸露的CdSe量子點的QDSC的功能性能穩定性超過240小時。

（a）具有CdSexS1-x界面層的合金核/殼QD在不同時間下J-V曲線；

（b）CdSe/(CdS)₆核殼結構在不同時間下的J-V曲線；

（c）裸露的CdSe核殼結構量子點在不同時間下的J-V曲線；

（d）對應的QDSCs 時間與開路電壓函數曲線；

（e）對應的QDSCs 時間與電流密度函數曲線；

（f）對應的QDSCs 時間與光電轉換效率函數曲線。

【小結】

這項工作通過連續離子層吸附反應法成功制備了殼層厚度可調的核殼結構量子點，該材料應用于QDSCs，表現出了優異的光伏性能。通過調節殼層厚度，可以有效增強量子點的光學物化性能，同時可以有效地將吸光光譜向可見光區域拓展。值得注意的是，穩定性是QDSCs能否商業化的決定因素之一，而該方法為制備高效，低價，穩定的QDSCs提供了新的思路。

文獻鏈接：Highly Stable Colloidal “Giant” Quantum Dots Sensitized Solar Cells?(Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201701468)

本文由材料人編輯部郭靜編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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