光与电如影随形:金双锥和金球协同增强PbS量子点太阳能电池

太阳能电池是可再生能源,对人类未来的生存和发展具有重大意义。而量子点凭借其带隙在近红外区可调,多激子效应,低成本溶液法制备等优点而在光伏领域备受关注,但目前量子点太阳能电池达到的效率(12 %)距离其理论效率(45 %)还相差甚远,主要原因是表面缺陷态导致载流子的寿命和扩散距离受到影响,进而限制了活性层的厚度,导致太阳能利用率低。若想提高太阳能电池的光电转换效率,需要在有限的活性层厚度下提高对太阳能的利用率。

等离子体增强的太阳能电池为此提供了一种解决思路,针对硫化铅量子点太阳能电池,苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)马万里教授和材料与化学化工学部程丝副教授合作选择了一种新型贵金属纳米粒子:金双锥,其等离子共振峰在近红外区可大幅度调节,达到与PbS量子点的第一激发峰相匹配,新奇的几何外形使其相比其他贵金属纳米粒子,如金球,具有更强的远场散射和近场增强效应。实验发现,只应用金双锥的太阳能电池开路电压 (Voc) 和短路电流 (Jsc) 均有提高,但是只应用金球的PbS量子点太阳能电池Jsc有提高,Voc没有变化,这个结果是由于其增强机理不同导致的。本文将金双锥和金球混合使用,可以同时利用两者在近红外区和可见光区的共振峰,使得PbS量子点太阳能电池的光吸收在全光谱都有提高。

文章研究了单独使用金双锥或金球的PbS量子点太阳能电池器件的增强机理,发现金球主要增强器件的光学性质,提高了Jsc,效率从8.09 %提高到了8.52 %。而金双锥凭借其更为强大的局域场增强了电子传输层的电学性质,进而JscVoc都有提高,效率进一步提高到了8.92 %。文章还通过一系列表征对金双锥引起的电学性质的提高进行了验证,证实Voc的提高与金双锥两端更优的场增强效应有关。由于两种纳米粒子的共振峰位置分别位于可见光区和近红外区,为了更充分的利用太阳光,文章将两种纳米粒子结合起来使用,使得PbS量子点太阳能电池的光吸收在全光谱都有提高,器件的光学性质和电学性质都得到提高,最终得到了9.58 %的光电转换效率。文章展现了金双锥纳米粒子独特的光物理性质,将两种不同形貌的纳米粒子结合起来使用也为今后的溶液法制备等离子体增强的太阳能电池提供了新的思路。

相关文章在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201701194)上。苏州大学FUNSOM硕士生陈思和汪永杰为该文章的共同第一作者。

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