新南威爾士大學Adv.Mater.：高效硒化鉛量子點太陽能電池——基於鈣鈦礦納米晶體的離子交換鈍化法

【引言】

膠體量子點擁有帶寬可調節、造價低廉等優勢，被認為是一種應用前景廣闊的太陽能電池材料，其中硒化鉛（PbSe）量子點以多重激子效應和高效載流子遷移為著稱。然而，硒化鉛量子點在空氣中非常容易氧化，這導致其表面具有較多缺陷，從而限制了對應的太陽能電池的開路電壓和填充因子，阻礙了其光電轉發效率的進一步提高。因此，硒化鉛量子點電池急需尋求一種有效鈍化表面缺陷的方法，以提高其在空氣中的穩定性與電池效率。

【成果簡介】

近日，澳大利亞新南威爾士大學的Zhilong Zhang 博士（第一作者）與Shujuan Huang博士（通訊作者）等人在Advanced Materials上發表題為「A New Passivation Route Leads to Over 8% Efficient PbSe Quantum Dot Solar Cells via Direct Ion Exchange with Perovskite Nanocrystals」的文章。 該文章報道了一種創新的表面鈍化方法：通過銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶與表面含氯的硒化鉛量子點之間進行離子交換，在硒化鉛量子表面形成更穩定的混合鹵化物鈍化層。這不僅有效地提高了其熒光量子產率和在空氣中的穩定性，更進一步地把硒化鉛量子點太陽能電池的最高光電轉化效率提高至8.2%。這是首次公開報道的光電轉化效率超過8%的硒化鉛量子點太陽能電池。此外，通過該鈍化處理的器件同時展示了非常好的空氣穩定性，在沒有封裝的情況下在空氣中存放57天後仍能保持其初始光電轉化效率的95%。

【圖文導讀】

圖1. 硒化鉛量子點（PbSe QDs）與銫鉛溴/碘

鈣鈦礦納米晶（CsPbBr3/CsPbI3）之間的離

子交換過程示意圖與交換前後材料的發光和吸

收光譜。

(a)PbSe QDs（Cl鈍化） 與CsPbBr3/CsPbI3鈣鈦礦納米晶之間的鹵族離子交換過程示意圖。

(b)交換反應後混合物的在紫外燈下的可見區發光，其發光顏色由CsPbBr3/ PbSe的初始混合比例決定。

(c)圖1(b)中的混合物在可見區的光致發光光譜。

(d)CsPbI3鈣鈦礦納米晶與PbSe QDs發生離子交換後的光致發光光譜變化。

(e)交換反應後經過提純的PbSe QDs的吸收與發光光譜。

圖2. 透射電子顯微鏡（TEM）下的PbSe QDs

與鈣鈦礦納米晶混合物和通過X光能量色散譜

（EDS）的得到鹵族元素分布圖

(a)PbSe QDs與CsPbBr3鈣鈦礦納米晶混合物的TEM照片。

(b)經過CsPbI3鈣鈦礦納米晶處理後的PbSe QDs的TEM照片。

(c)-(d) 氯元素在圖2(a)與(b)中的分布。

(e) 溴元素在圖2(a)中的分布。

(f) 碘元素在圖2(b)中的分布。

圖3. 運用不同鈍化處理後的PbSe QDs所製備

的太陽能電池的性能分析

(a)以三種不同鈍化處理後PbSe QDs所製備的太陽能電池的電流密度-電壓(J-V)曲線。

(b)PbSe QDs太陽能電池的外量子產率曲線。

(c)這三種太陽能電池的效率分布圖。

(d)-(e) 未經處理與經CsPbBr3鈣鈦礦納米晶處理的PbSe QDs薄膜的瞬態吸收光譜。

(f) 三種PbSe QD太陽能電池的光電轉換效率隨時間的變化。

【小結】

這項研究提出了一種嶄新且高效的硒化鉛量子點鈍化方法。通過與銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶之間的離子交換，硒化鉛量子點可以獲得更加穩定的混合鹵化物鈍化層。這個方法不僅提升了量子點的熒光量子產率，更大幅提高了硒化鉛量子點太陽能電池的光電轉換效率與空氣穩定性。本項研究的研究團隊在2016年曾在Advanced Energy Materials上報道了第一個效率高於7%的硒化鉛量子點太陽能電池，而在本項研究中進一步把其轉換效率紀錄第一次提升到8%以上。

文獻鏈接：A New Passivation Route Leading to Over 8% Efficient PbSe Quantum-Dot Solar Cells via Direct Ion Exchange with Perovskite Nanocrystals (Adv. Mater., 2017, 1703214, DOI: 10.1002/adma.201703214 )

Significant Improvement in the Performance of PbSe Quantum Dot Solar Cell by Introducing a CsPbBr3Perovskite Colloidal Nanocrystal Back Layer (Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601773, DOI: 10.1002/aenm.201601773)

Effect of Halide Treatments on PbSe Quantum Dot Thin Films: Stability, Hot Carrier Lifetime, and Application to Photovoltaics (J. Phys. Chem. C 2015, 119, 24149?24155, DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b08021)

團隊介紹

Shujuan Huang博士於2001年畢業於日本廣島大學並取得博士學位；隨後擔任研究員至2004年；2006年加入了以太陽能技術著稱的澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）並在其下的澳洲先進太陽能技術中心（ACAP）擔任資深研究員。其獨立團隊從2013年開始展開了膠體量子點太陽能電池的研究工作，並在隨後幾年多次在Adv. Mater. 與Adv. Energy Mater.等期刊發表研究成果。

該團隊於2015年與華中科技大學光學與電子信息學院的張建兵副教授展開了合作研究。張建兵副教授在2014年首次以陽離子交換法合成空氣穩定的鈍化硒化鉛量子點（Nano Letters, 2014, 14: 6010；Chem. Mater. 2017, 29, 3615?3622），並製備了該類第一個效率超過6%的太陽能電池。本研究團隊的Zhilong Zhang博士在隨後的合作研究中進一步把硒化鉛量子點太陽能電池的轉換效率分別在2016年和2017年提升到7.2%和8.2%。

本文由新南威爾士大學陳偉健老師投稿，材料人新能源組背逆時光整理編輯。

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