华中科技大学&清华大学ACS Nano：双管齐下！同时钝化Pb和Se位点助力量子点红外太阳能电池

【引言】

众所周知，红外（IR）太阳能电池是一种很有前途的器件，可以通过收集低能红外光子与单结太阳能电池匹配而显著提高电池的功率转换效率。硒化铅量子点（PbSe QDs）由于其溶液可加工性、强量子限域效应和灵活可调的带隙，成为一种很有前途的光伏材料。PbSe QDs除了可应用于带隙1.3−1.4 eV的单结太阳能电池外，还可以应用于红外太阳能电池中收集不能被传统光伏（PVs）器件（如Si和钙钛矿太阳能电池）吸收的低能光子。低带隙（<1.1eV）量子点红外太阳能电池通过扩大光谱利用范围来提高PVs的功率转换效率，提供了一种低成本制备高性能光伏器件的策略。理论计算表明，通过收集波长>1100 nm的太阳光光子，可以在硅基太阳能电池基础上额外增加约6%的绝对功率点。目前为止， IR QD太阳能电池均基于PbS QDs，几乎未见关于PbSe QDs红外太阳能电池的报道。然而，PbSe QDs是更有前途的红外光伏材料。与PbS QDs相比，PbSe QDs更大的激子玻尔半径使相邻量子点间产生更强的波函数重叠，有利于载流子的传输而产生高的短路电流密度（J_SC）。然而，PbSe QDs的高表面化学活性容易在配体交换过程中引起表面蚀刻和钝化不良，从而导致高缺陷密度和高开路电压（V_OC）损失。

【成果简介】

针对这一问题，华中科技大学张建兵副教授、深圳清华大学研究院檀满林博士/研究员（共同通讯作者）等人开发了一种混合配体共钝化策略，以同时钝化量子点表面的Pb和Se位点。也就是说，卤化物阴离子钝化了Pb位，而Cd阳离子钝化了Se位。阳离子和阴离子杂化钝化显著提高了PbSe QDs薄膜的质量，产生了良好的缺陷态控制和延长的载流子寿命。在这种混合配体处理的基础上，IR QD太阳能电池同时实现了高V_OC和J_SC。最后，在1100nm过滤后的太阳光照明下，PbSe QD太阳能电池的IR-PCE达到1.31%，是目前PbSe QD红外太阳能电池的最高IR-PCE。此外，PbSe QD器件在~1295 nm处具有高达80％的外部量子效率。相关研究成果以“Efficiently Passivated PbSe Quantum Dot Solids for Infrared Photovoltaics”为题发表在ACS Nano上。

 【图文导读】

图一、两种不同工艺的对比

（a）用单一卤化物阴离子（工艺I）或含有卤化物阴离子和金属阳离子的杂化配体（工艺II）处理PbSe QDs的液相配体交换示意图；

（b-d）两种情况下量子点薄膜的红外光谱、Cl 2p XPS光谱和Cd 3d XPS光谱；

（e）从XPS中估算的元素比率；

 图二、PbSe QDs溶液的性质

（a）配体交换后PbSe QDs溶液的归一化吸收光谱；

（b）从吸光度光谱（a）中提取的FWHMs和峰谷比随Cd阳离子浓度的变化；

（c，d）采用不同配体交换后，PbSe QDs溶液的吸收光谱、相应的PL谱和斯托克斯位移（d）；

（e）配体交换过程中Cd阳离子浓度对PbSe QDs溶液PLQYs的影响。

 图三、光谱分析

（a，b）配体中Cd阳离子含量对PbSe QD薄膜稳态PL光谱和瞬态PL光谱的影响；

（c）由瞬态PL光谱计算得到的QD膜中载流子的平均寿命随Cd阳离子浓度的变化；

（d）PbSe-IBr和PbSe-IBrCd的时间分辨二维PL光谱;

（e，f）PbSe-IBr和PbSe-IBrCd膜的超快瞬态吸收光谱图。

图四、光伏器件的应用

（a）光伏器件的原理图；

（b）PbSe QD基太阳能电池的横截面SEM图像；

（c，d）随着Cd阳离子浓度的增加，1100 nm过滤后器件IR-PCE，IR-V_OC和IR-J_SC的变化

 图五、性能最好的PbSe-IBr和PbSe-IBrCd QD太阳能电池的1100 nm滤波后的光伏性能

（a-d）J−V曲线及相应参数；（b）EQE曲线；（c）IR-PCE值的分布；（d）存储在空气环境中器件的稳定性。

 图六、PbSe-IBr和PbSe-IBrCd QD太阳能电池的器件物理表征

（a）用于计算内建电场的Mott−Schottky曲线；

（b，c）J_SC和V_OC与光强度的关系；

（d，e）由TPC计算的载流子输运寿命和从TPV中提取的复合寿命；

（f）根据SCLC模型的J−V特性。

 【小结】

综上所述，作者提出了一种混合配体交换策略，分别用卤化物阴离子和金属阳离子同时钝化Pb位和Se位来实现PbSe QDs的表面钝化。结果表明，PbSe QDs表面缺陷态明显降低，降低了光生载流子的复合，促进了器件载流子的抽取。相应地，与传统的单一卤化物钝化处理的PbSe QDs相比，基于这些PbSe QDs的器件具有更高的IR-V_OC和更大的IR-J_SC。因此，获得了1.31%的高IR-PCE和在1295nm处80%的高EQE。目前的杂化配体交换策略将促进PbSe QDs的应用，并为进一步改善PbSe QDs的钝化提供参考，这对于更长波段的红外光电器件的研究具有重要意义。

 文献链接：“Efficiently Passivated PbSe Quantum Dot Solids for Infrared Photovoltaics”(ACS Nano，2021，10.1021/acsnano.0c10373)

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团队介绍：

第一作者介绍：刘思思，华中科技大学光学与电子信息学院博士后，主要从事半导体纳米材料的制备及其光电器件研究，主要包括太阳能电池、光电探测器等，研究论文发表在ACS Nano, Adv. Func. Mater., Small等期刊。

通讯作者介绍：张建兵，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心，双聘副教授，博士生导师。长期从事量子点（半导体纳米颗粒）的溶液工艺合成、表面调控及其光电应用的研究，在该领域做出重要贡献，引起学术界和工业界的广泛关注。在美留学期间，师承量子点领域的开创者之一、量子点太阳能电池研究的先驱、量子点中多激子产生效应的提出者及国际权威Arthur. J. Nozik教授。以第一或通讯作者（包括共同）在本领域顶级期刊，如Nano Letters, ACS Nano, Adv. Func. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Chem. Mater.等发表论文多篇。研究工作获得湖北省自然科学二等奖，并受到华为、TCL、华星光电等知名企业的关注。当前主要致力于量子点在红外太阳能电池、短波红外成像及辐射探测和成像的应用研究.

檀满林，深圳清华大学研究院新能源与环保技术研究所研究员，广东省能源转换与储存材料工程技术中心主任，主要从事先进能源和储能领域关键材料和应用技术开发工作。近年来主持承担国家、省市重大科研项目30余项，产学研横向合作项目12项，在ACS Nano, Advanced Functional Materials, Small, Solar Energy Materials & Solar Cells，International Journal of Hydrogen Energy，《物理学报》等国内外期刊发表论文多篇，已授权发明专利30余项，多项科研成果成功实现转化。

团队在该领域工作汇总

张建兵团队长期致力于硫化铅（PbS）和硒化铅（PbSe）红外量子点的合成及其光电器件研究，近两年团队取得了系列进展。

1）发展了从ZnS纳米棒通过阳离子交换合成高度单分散、原位卤素钝化的PbS量子点的方法。该方法可获得文献报道的尺寸分布最窄的PbS量子点，而且其尺寸可在较宽范围调控（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907379）。

2）通过生长动力学控制，将PbS量子点的合成从单分散、尺寸控制的基本水平提高到晶面控制的新高度。基于晶面控制，抑制了小尺寸PbS QDs中（100）晶面的生长，获得几乎只有（111）面的正八面体PbS量子点，从而从源头上抑制了PbS量子点的缺陷（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000594）。

3）开发了一种解决量子点红外太阳能电池光敏层的J_SC与V_OC间限制关系的策略，在原位卤素钝化基础上于PbSe量子点表面外延一层PbS薄壳，受益于PbS壳的保护和PbSe核的强电学耦合，实现了兼具优异表面缺陷控制和强量子点间耦合的PbSe/PbS核壳量子点薄膜，制得的红外太阳能电池同时具有高V_OC和J_SC。（Adv. Funct. Mater. 2020, 2006864）

基于以上研究，张建兵团队稳步提升了量子点太阳能电池的能量转换效率，如图1所示。

图1. 华中科技大学光学与电子信息学院张建兵团队在量子点太阳能电池方向取得的研究进展。

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