Solar RRL:基于PbX量子点的太阳能电池:发展与展望

当今社会能源结构主要以化石能源为核心,但化石能源燃烧使用过程中所带来的环境问题也日益影响着人类的生活。我国日益严重的雾霾问题更让我们意识到环境问题已经成为一个亟待解决的民生问题。太阳能是地球能源的源头,是一种最为清洁并取之不尽的理想能源形式。如果能够直接利用太阳能,将会减少很多中间转换过程所带来的污染和损失。太阳能电池正是实现这一理想过程而备受关注的一种光电器件。硅基太阳能电池是现有商业化太阳能电池的主力军,在过去几十年里得到了迅猛的发展。但因其生产工艺复杂、成本高、不易实现大面积器件以及制造过程中会带来环境污染等问题,促使人们继续研究开发新一代高效、低成本、可加工性强的新型太阳能电池。

Ⅳ-Ⅵ族胶体PbX (X=S,Se,Te)量子点,是一种溶液中合成的新型无机功能材料,其表面覆盖有一层长链有机配体使其在有机溶剂中有很好的溶解性,同时使得此类材料具备了大面积溶液加工的特性。更为重要的是PbX量子点具有优异的吸光性能,吸光范围基本可以覆盖所有可见光到近红外区域。明显的量子限域效应使得其带隙调节范围非常宽,是构筑叠层太阳能电池的理想材料。同时PbX量子点还具有显著的多激子效应,可以超过传统的Shockley-Queisser 理论极限,将单节太阳能电池理论效率从33 %提高到45 %,并且这一效应已在实际工作的PbSe量子点中被观测到。这些独特的优异性质非常符合太阳能电池工作要求,有望成为高效廉价的光伏材料。统计显示,PbS量子点太阳能电池器件效率增长速度,在统计的16类光伏器件中,仅次于最热门但并不稳定的钙钛矿太阳能电池。根据美国国家可再生能源实验室(NREL)认证的电池效率记录,目前为止,PbX量子点太阳能电池的认证效率达到12.0 %,已经超过有机太阳能电池的11.5 %和染料敏化的11.9 %。另外,基于PbS量子点的光伏器件可以直接在空气氛围中制备,在不用封装的情况下,其器件在空气氛围放置半年,效率几乎没有变化,表现出优异的稳定性。这些使得PbX量子点材料成为目前最热门,最有潜力的新型太阳能电池材料之一。

SRRL-mawanli

近期,苏州大学功能纳米与软物质研究研究马万里教授课题组首先从光吸收、带隙调控、传输、掺杂和稳定性五个方面系统地总结了PbX量子点的基本光电性质。重点讨论了基于PbX量子点的四类光伏器件的研究进展:(1) 纯PbX量子点太阳能电池; (2) PbX量子点/聚合物杂化太阳能电池;(3) PbX量子点敏化太阳能电池;(4) 基于PbX量子点的新型概念电池。文章最后展望了今后基于PbX量子点电池的机遇、挑战与研究趋势。例如文章指出PbX量子点表面存在未被钝化的缺陷态仍是限制其效率进一步提升的主要因素;阐述了PbX量子点在大面积印刷太阳能电池方面的优势;以及将其与其他可溶液加工光伏材料相结合的潜在价值。相关文章发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201600021)上。