Advanced Energy Materials:高效稳定的硫化铅量子点墨水用于近红外太阳能电池

能源是人类赖以生存的驱动力,但地球上的能源储存又是有限的。进入21世纪以来,全球超过85%的能源需求是通过石油,煤炭和天然气的燃烧来提供的,随着石油可开采量逐渐减少和生态环境日益恶化等因素,能源短缺和环境污染成为目前实现人类可持续发展所面临的两大难题。因此,人们对清洁、安全、可持续的能源需求量越来越大,探索利用化石能源之外的新能源,加快发展新能源产业发展,已成为各国共同面对的一项重要课题。太阳能取之不尽用之不竭,每年从太阳辐射到地球的能量远远大于人类每年能源消耗的总量。因此,太阳能被认为是最有前景的一种能源形式之一,同时,通过光伏太阳能电池将太阳能转化为电能是解决能源短缺的最有前途的方法之一。

硫化铅量子点具有优异的光吸收和发射特性,带隙可调性、高稳定性和溶液加工性,除此之外,其带隙可以覆盖整个可见光到中红外区域,因此可被广泛应用于诸如近红外探测器,发光二极管,场效应晶体管和太阳能电池等光电器件中。然而,尽管具有如此吸引人的特性,但是所获得的硫化铅量子点太阳能电池的光电能量转换效率仍然较低,这主要是由于配体交换的不完全以及量子点薄膜制备过程中产生缺陷所致。这些陷阱状态导致载流子复合损失,阻碍电荷传输,最终限制了器件的光电能量转换性能。

北京航空航天大学张晓亮老师课题组和瑞典乌普萨拉大学Erik Johansson教授合作,针对这一问题进行了深入研究,本文亮点在于利用液相配体交换充分去除量子点表面的油酸配体,并将量子点至于中性体系中防止量子点团聚,进一步优化胶体量子点配体交换的有效性和墨水稳定性,从而减少量子点太阳能电池器件的载流子复合,提升器件的光伏性能。

该工作使用碘化铵进行液相配体交换,成功制备出硫化铅量子点墨水,并且量子点墨水具有很好的稳定性。量子点太阳能电池的光电能量转换效率达到11.4%,并且器件表现出很好的稳定性。实验和理论模拟的结果证实,量子点太阳能电池优异的光伏性能归因于表面钝化有效减少载流子复合。这项工作全面给出了胶体量子点墨水体系的重要设计思路,为量子点墨水技术在光伏或其他光电器件中的应用提供了重要指导。

研究者相信,所研究的稳定量子点墨水为量子点太阳能电池的产业化迈出了重要的一步。相关论文以“Highly Stabilized Quantum Dot Ink for Efficient Infrared Light Absorbing Solar Cells”为题,在线发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201902809)。