Adv. Mater.：开发高于10%效率的硒化铅胶体量子点太阳能电池

【研究背景】

胶体量子点（CQDs）是一种特殊的纳米材料被广泛探索发光二极管（LED）、光检测器和光伏（PV）器件。最近，PbSe CQD作为光伏器件的潜在吸收材料出现，对应的硒化铅CQD太阳能电池具有超过在单结器件的Shockley–Queisser极限效率（31％）的潜力。然而，尽管具有如此吸引人的特性，但是所获得的PbSe CQD太阳能电池的PCE仍然较低，这主要是由于低的空气稳定性和薄膜制造过程中缺陷的产生。PbSe中的这些陷阱/缺陷状态导致复合损失并阻碍电荷传输，这最终限制了器件的开路电压（VOC）和填充因子（FF）。

【成果简介】

近日，华中科技大学何俊刚、陈超和武汉工程大学刘治田团队通过原位Cl-和Cd2+离子钝化合成了高质量的PbSe CQD。然后，进行溶液相配体交换方法，最后一步旋涂法成膜。X射线光电子能谱（XPS）、红外光响应和超快瞬态吸收（TA）表征表明所获得的PbSe CQD膜具有较少的陷阱态。采用PbSe CQD制造的最佳PV器件效率可达10.68％，比先前的效率记录（9.2％）高16％。此外，该设备显示40天的显著存储和8小时的照明稳定性。这种新颖的策略可以提供在低成本和高性能红外光电器件中使用PbSe CQD的替代途径。该成果近日以题为“Lead Selenide (PbSe) Colloidal Quantum Dot Solar Cells with >10% Efficiency”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图一：高质量PbSe CQD的制备及表征

为了制造高效且稳定的CQD太阳能电池，最初获得具有高单分散性、良好的空气稳定性和良好钝化的高质量PbSe CQD。

（a）分别使用阳离子交换和溶液相配体与Cd2+和金属卤化物前体交换的PbI2封端的PbSe CQD纳米粒子的示意图。
（b）分别在辛烷和DMF中配体交换之前和之后的CQD溶液的UV-vis吸收光谱。
（c）配体交换前后CQD溶液的FT-IR光谱。
（d-e）原始和PbI2封端的PbSe CQD薄膜中C-1s和I-3d的XPS光谱。

图二：高质量PbSe CQD薄膜的表征

在组装完整的太阳能电池器件之前，作者还研究了由获得的高质量CQD解决方案制造的PbSe CQD薄膜。

相应处理后PbSe CQD薄膜的（a, d, g）SEM和（b, e, h）AFM图像。
（c, f, i）各种PbSe CQD薄膜中O-1s的XPS信号。

图三：不同处理后薄膜的表征

众所周知，表面氧化是导致有害缺陷的原因。因此，作者认为一步法碘化铅相比LBL膜涂覆的PbSe CQD膜可以具有更少的缺陷。

（a）在1450nm光激发下的PbSe CQD光电导探测器的光响应。
（b）PbI2封端的PbSe CQD一步膜，PbI2处理的PbSe CQD LBL膜和TBAI处理的PbSe CQD LBL膜的Urbach能量。
（c）归一化的吸收变化（ΔA）与衰减时间的关系。
（d）PbI2-封端的PbSe CQD一步膜的光谱-时间TA图。

图四：器件结构与性能

然后将最佳的一步薄膜以及PbI2处理和TBAI处理的PbSe CQD LBL薄膜组装成光伏器件，采用ITO/ZnO/PbSe活性层/PbS-EDT/Au的器件结构。

（a）具有有效层厚度≈200nm的代表性器件的横截面SEM图像。
（b）层之间能级的对齐。
（c）模拟AM 1.5G照明下标准处理设备的典型J-V（正向和反向扫描）曲线。
（d）EQE光谱和相应的PbI2封端的PbSe CQD基太阳能电池的集成光电流，波长范围为300-1100nm。

图五：器件物理特性表征

为了研究代表性器件中改进的VOC和JSC，进行了器件物理特性，如电容-电压（C-V）和瞬态光电压（TPV）测量。

（a）PbSe CQD太阳能电池的C−2–V曲线, 其中A (0.09 cm−2)为活性区域。
（b）归一化的TPV曲线。

图六：稳定性测试

除了优异的PV参数外，CQD上更好的钝化可以促进长期的空气稳定性。因此，未封装的装置存储在环境空气中，然后测试它们随时间的性能变化以及光照性能。

（a）长期空气储存稳定性评估和（b）在AM 1.5G照射下PbI2封装的PbSe CQD太阳能电池的连续操作稳定性。

【小结】

总之，我们报道了使用阳离子交换合成和一步膜制造技术的PbSe CQD太阳能电池的记录PCE为10.68％，具有66.30％的高FF和28.11mA cm-2的JSC。首先，作者使用阳离子交换方法生产空气稳定和单分散的PbSe CQD。然后使用源自溶液相配体交换的PbSe CQD纳米粒子通过一步沉积技术制造具有较少表面缺陷的高质量薄膜。因此，抑制的非辐射复合和长载流子寿命导致太阳能电池的PCE改善，这与光响应和TA结果一致。而且，PbI2封装的PbSe CQD设备还表现出优异的空气存储（40天）和照明稳定性（8小时）。可以认为这一策略可以为未来建造高效稳定的PbSe CQD光伏器件以及其他光电子器件提供有效平台。

文献链接：Lead Selenide (PbSe) Colloidal Quantum Dot Solar Cells with >10% Efficiency (Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/ adma.201900593)

本文由大兵哥供稿。

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