苏州大学Adv. Energy Mater. 纳米金双锥和金球协同增强PbS 量子点太阳能电池
【引言】
硫化铅(PbS))是一种典型的具有强限域效应的半导体材料，它们的带隙可以覆盖整个可见光到中红外区域。由于其合成简便，吸光性能优异，易于大面积印刷，且具有独特的多激子效应，使得它们在光伏领域具有很大的应用潜力。然而，目前的量子点太阳能电池的效率依旧远低于理论量子效率，降低活性层厚度，提高光吸收是一种有效的提高量子点太阳能电池效率的方法。近年来，诸多研究证实，贵金属纳米粒子的引入能大幅度提高太阳能电池的效率。在已报道过的贵金属纳米晶中，纳米金双锥具有独特的plasmonic 性能，其光谱可覆盖可见光和近红外区域（600-1300 nm）。与金棒相比，金双锥两端更为尖锐，具有更优的场增强效应，且随着光谱的红移，金双锥的尺寸增大，其尺寸通常要大于普通的金棒。因此，金双锥与PbS 量子点太阳能电池相结合，有望大幅度提到光捕获效率，进而提高电池转换效率。
【成果简介】
近日，苏州大学FUNSOM马万里教授课题组和苏州大学材料与化学化工学部的程丝副教授课题组合作，利用纳米金双锥和金球的协同增强效应，大幅度提高了PbS量子点太阳能电池的效率，并在Adv. Energy Mater. 上发表了题为“Broadband Enhancement of PbS Quantum Dot Solar Cells by the Synergistic Effect of Plasmonic Gold Nanobipyramids and Nanospheres”的研究论文。该论文第一次将金双锥引入PbS量子点太阳能电池，金双锥的光谱与传统PbS量子点的光谱完美匹配。由于近场增强和散射效应，电池的开路电压及短路电流得到同时提高，电池效率得到大幅度的提高。
【图文简介】
图1. 器件结构示意图及金双锥光谱图
a)引入Au BPs@SiO2-936 和AuNSs@SiO2 的硫化铅量子点太阳能电池的示意图
b) Au NSs@SiO2 (上) and Au BPs@SiO2-936 (下) 的TEM 照片
c) 四种不同金双锥及金球包硅后在水（(A) (C) (E) (H) (K)）及乙醇（(B) (D) (F) (G) (L)）中的消光谱图。
图2.不同 PbS 量子点太阳能电池的光电性能
(a)不同PbS电池的J-V曲线
(b)不同PbS 电池的UV-vis-NIR 吸收谱图
(c)掺杂Au BPs@SiO2-936的PbS 电池的EQE谱图
(d)掺杂Au NSs@SiO2 PbS 电池的EQE谱图
图3. 金双锥及金球的FDTD场强分布模拟图(n = 1.336)
(a) Au BPs@SiO2-936的场强分布模拟图
(b) Au NSs@SiO2的场强分布模拟图
图4. 电池的阻抗谱图
电池的阻抗谱图。右上角插入的为Rs 的局部放大谱图。
图5. 不同PbS电池的光电性能
(a) 不同器件的 PCE 曲线
(b) 不同器件的J-V 曲线
(c) 不同器件的EQE 曲线
(d) Jsc 随光强度的变化
【小结】
金双锥第一次被应用于PbS量子点太阳能电池，由于金双锥独特的plasmonic 效应，PbS量子点太阳能电池的转换效率从8.09%提高到了8.92%。当将金双锥和金球混合后引入PbS 太阳能电池，两种贵金属纳米晶的协同效应导致了宽光谱的吸收增强及电池效率进一步提高到9.58%。
团队介绍
苏州大学FUNSOM马万里教授和苏州大学材料与化学化工学部的程丝副教授为该文章的共同通讯作者。硕士生陈思和汪永杰为该文章的共同第一作者。马万里教授课题组长期从事有机、纳米晶量子点和钙钛矿太阳能电池的研究，在Adv. Mater, JACS, Adv. Energy Mater, Nano Energy，Chem. Mater 等期刊发表论文90余篇。程丝副教授课题组主要从事贵金属纳米晶及其应用的相关研究，有丰富的贵金属合成经验。
文献链接：Broadband Enhancement of PbS Quantum Dot Solar Cells by the Synergistic Effect of Plasmonic Gold Nanobipyramids and Nanospheres（Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701194）
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