介紹

阻礙光伏器件性能提升的一個(gè)重要因素是低于光伏材料帶隙的低能紅外光子無法被充分利用。對(duì)于硅而言，大于1100 nm的太陽光不能被吸收，而這部分占據(jù)太陽光光譜能量的20%；對(duì)于帶隙更大的鈣鈦礦而言，不能被利用的太陽光顯著增多。因此，若能夠充分吸收這些低能紅外光子并實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，將可在現(xiàn)有基礎(chǔ)上顯著提升對(duì)太陽能的利用率。為此，窄帶隙紅外光伏材料被視為實(shí)現(xiàn)低能紅外光子利用的關(guān)鍵所在。

當(dāng)前， III-V族化合物和Ge是窄帶隙光伏材料的典型代表。但是這類半導(dǎo)體材料制備工藝復(fù)雜、成本較高，極大地限制了其廣泛應(yīng)用。近幾年，可溶液工藝制備的量子點(diǎn)材料越來越被研究者們所關(guān)注，這主要是因?yàn)榱孔狱c(diǎn)具有強(qiáng)烈的量子限制效應(yīng)，其帶隙可精確調(diào)控。此外，量子點(diǎn)還具有高效的多激子產(chǎn)生效應(yīng)，能夠獲得超過100%的外量子效率和*的光生電流。因此，量子點(diǎn)被視為理想的紅外光伏材料。

華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院張建兵團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于硫化鉛（PbS）和硒化鉛（PbSe）紅外量子點(diǎn)的合成及其光電器件研究，近兩年團(tuán)隊(duì)取得了系列進(jìn)展。在本系列中，我們將為大家展示課題組在基于PbS、PbSe量子點(diǎn)的紅外太陽能電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

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PbSe QDs是解決目前紅外太陽能電池低J_SC的關(guān)鍵。然而，目前還未見關(guān)于窄帶隙PbSe QDs（<1.1 eV）紅外太陽能電池的報(bào)道，這可能是由于大尺寸PbSe QDs表面暴露更多高活性的富Se的（100）晶面，導(dǎo)致其表面鈍化工程異常困難。較差的表面鈍化會(huì)產(chǎn)生較高的開路電壓（V_OC）損失，這也可能是目前寬帶隙PbSe QDs（~1.3 eV）電池性能較差的原因。基于以上問題，該課題組將陽離子交換與原位鹵素鈍化相結(jié)合，在PbSe QDs表面外延生長(zhǎng)PbS薄殼，獲得了兼具高電子耦合和優(yōu)異表面鈍化的PbSe/PbS核殼量子點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了高效紅外太陽能電池。帶隙位于~0.95 eV的PbSe/PbS核殼量子點(diǎn)紅外太陽能電池在Si過濾后獲得了更高的V_OC (0.347 V)，是PbSe QDs器件的1.46倍。此外，由于PbSe QDs核的強(qiáng)電學(xué)耦合特性確保了有效的載流子輸運(yùn)，PbSe/PbS QDs器件比目前報(bào)道的PbS QDs器件表現(xiàn)出更高的紅外J_SC (6.38 mA cm^-2)。最終，在未引入光學(xué)結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.24%的Si過濾后的紅外效率，實(shí)現(xiàn)PbSe QD基太陽能電池效率高于PbS QD基器件，展示出PbSe/PbS QDs在紅外光電器件中巨大的應(yīng)用潛力。(Adv. Funct. Mater,2021,31,2006864)

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華中科技大學(xué)張建兵副教授、深圳清華大學(xué)研究院檀滿林博士/研究員（共同通訊作者）等人開發(fā)了一種混合配體共鈍化策略，以同時(shí)鈍化量子點(diǎn)表面的Pb和Se位點(diǎn)。也就是說，鹵化物陰離子鈍化了Pb位，而Cd陽離子鈍化了Se位。陽離子和陰離子雜化鈍化顯著提高了PbSe QDs薄膜的質(zhì)量，產(chǎn)生了良好的缺陷態(tài)控制和延長(zhǎng)的載流子壽命。在這種混合配體處理的基礎(chǔ)上，IR QD太陽能電池同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高V_OC和J_SC。最后，在1100nm過濾后的太陽光照明下，PbSe QD太陽能電池的IR-PCE達(dá)到1.31%，是目前PbSe QD紅外太陽能電池的最高IR-PCE。此外，PbSe QD器件在~1295 nm處具有高達(dá)80％的外部量子效率。(ACS Nano,2021,15,2,3376-3386)

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當(dāng)前，量子點(diǎn)太陽能電池中應(yīng)用最多的材料是硫化鉛（PbS）膠體量子點(diǎn)，其認(rèn)證的效率已達(dá)到12.5%。缺陷控制是量子點(diǎn)太陽能電池性能提升的關(guān)鍵，并且近期的研究表明PbS量子點(diǎn)表面的面是缺陷的主要來源。當(dāng)前，大部分的研究也集中于PbS量子點(diǎn)的表面鈍化和發(fā)展新的配體交換方案，以達(dá)到消除缺陷的目的，好比是“治療先天缺陷”。華中科技大學(xué)的張建兵團(tuán)隊(duì)和合作者則換一種思路，期望在量子點(diǎn)的合成過程中就抑制面，從源頭上規(guī)避缺陷，直接獲得“身體健康”的PbS量子點(diǎn)。他們基于陽離子交換合成方法，通過控制量子點(diǎn)生長(zhǎng)過程中的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)平衡來實(shí)現(xiàn)晶面的有效調(diào)控。研究表明，在動(dòng)力學(xué)占主導(dǎo)的生長(zhǎng)條件下，量子點(diǎn)各向異性生長(zhǎng)，獲得的約3 nm PbS 量子點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)近似為八面體，表面幾乎僅含晶面；而在熱力學(xué)占主導(dǎo)的生長(zhǎng)條件下，量子點(diǎn)各向同性生長(zhǎng)，獲得的量子點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)為截角八面體，表面具有和晶面。因此，基于表面近乎只含晶面的量子點(diǎn)光伏器件效率高達(dá)11.5%，相比表面同時(shí)含有和晶面的量子點(diǎn)器件效率提升了25%。這項(xiàng)工作將PbS量子點(diǎn)的合成推進(jìn)到新的高度，不再停留在尺寸控制、尺寸均一性和表面鈍化上，通過晶面控制，從源頭上規(guī)避了缺陷，為量子點(diǎn)光電器件的性能優(yōu)化提供了新思路。(Adv. Funct. Mater,2020,30,2000594)

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當(dāng)尺寸增加（帶隙減小）時(shí)，PbS量子點(diǎn)對(duì)空氣的敏感性顯著增加，容易引入新的缺陷態(tài)。因此，研究者們通常采用陽離子交換方法來合成具有原位鹵素離子鈍化的PbS量子點(diǎn)。但是，這種方法合成出的PbS量子點(diǎn)尺寸分布不佳（尤其大尺寸），影響載流子的遷移。為了解決這一問題，張建兵副教授團(tuán)隊(duì)采用ZnS納米棒到PbS量子點(diǎn)的陽離子交換方案，其基本思想是依靠由棒到點(diǎn)轉(zhuǎn)變過程中因部分溶解而釋放的S來維持一定的過飽和度，促進(jìn)量子點(diǎn)的生長(zhǎng)并且維持較好的尺寸分布。系統(tǒng)改變合成參數(shù)，在尺寸分布的均勻性、尺寸可控性、重復(fù)性以及宏量制備等方面對(duì)陽離子交換合成進(jìn)行優(yōu)化。通過捕獲反應(yīng)和生長(zhǎng)的中間態(tài)，研究了從棒到點(diǎn)的形貌轉(zhuǎn)變過程和機(jī)理以及量子點(diǎn)的生長(zhǎng)控制機(jī)制。這種從棒到點(diǎn)的陽離子交換合成出的PbS量子點(diǎn)除了具有較好的尺寸分布外，表面還具有鹵素Cl^－離子鈍化，實(shí)現(xiàn)了較好的表面缺陷態(tài)控制?；谶@種方案合成的高質(zhì)量大尺寸窄帶隙PbS量子點(diǎn)，我們最終獲得了效率帶隙為0.95 eV的PbS量子點(diǎn)紅外太陽能電池，其結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如下圖所示。其中，在AM 1.5下，效率高達(dá)10%，800nm長(zhǎng)通濾光片下的效率為4.2%，1100nm長(zhǎng)通濾光片下的效率為1.1%。(Adv. Funct. Mater,2020,30,1907379)

華中科技大學(xué)張建兵副教授課題組簡(jiǎn)介

張建兵，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院/武漢光電國家研究中心雙聘副教授，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事量子點(diǎn)（半導(dǎo)體納米顆粒）的溶液工藝合成、表面調(diào)控及其光電應(yīng)用的研究，在該領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在美留學(xué)期間，師承量子點(diǎn)領(lǐng)域、量子點(diǎn)太陽能電池研究、量子點(diǎn)中多激子產(chǎn)生效應(yīng)的研究者Arthur. J. Nozik教授。以第一或通訊作者（包括共同）在本領(lǐng)域期刊，如Nano Letters, ACS Nano, Adv. Func. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Chem. Mater.等發(fā)表論文多篇。研究工作獲得湖北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，并受到華為、TCL、華星光電等企業(yè)的關(guān)注。當(dāng)前主要致力于量子點(diǎn)在紅外太陽能電池、短波紅外探測(cè)和成像芯片的應(yīng)用研究.

產(chǎn)品信息

本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司 “OmniFluo 900” 系列穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)熒光光譜儀，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢我司。

（附錄產(chǎn)品鏈接）

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