Small:氨基酸双重钝化钙钛矿纳米晶用于高效量子点太阳能电池

量子点由于其具有成本低,可溶液加工,尺寸依赖性带隙和高稳定性等特点,在发光二极管,光电探测器,场效应晶体管和太阳能电池等光电器件研究领域中吸引了广泛的兴趣。与传统硫化铅量子点相比,CsPbI3钙钛矿量子点具有高导电性,高缺陷容忍性,长荧光寿命以及合适的带隙等特性。同时,由于钙钛矿量子点表面能较大、晶格间存在的应力小,使CsPbI3 钙钛矿量子点相较于块体CsPbI3钙钛矿材料展现出更好的相稳定性,因此,CsPbI3 钙钛矿量子点成为新一代量子点太阳能电池理想的光吸收材料。然而,尽管具有如此吸引人的特性,目前CsPbI3钙钛矿量子点太阳能电池的光电能量转换效率仍然较低,这主要是由于传统的硝酸铅配体交换的不完全,导致量子点表面部分缺陷不能被有效钝化,以及碘化甲脒(FAI)配体交换容易导致量子点发生阳离子交换形成正交相块体结构造成的。这些残留的表面缺陷会导致载流子发生复合损失,阻碍电荷传输和提取,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针对这一问题进行了深入研究,本文亮点在于采用两性离子氨基酸配体可通过单步配体交换方法取代材料表面的长链配体,并有效钝化CsPbI3钙钛矿量子点表面缺陷,保持量子点的立方相结构,从而有效减少太阳能电池器件中的载流子复合,提高电荷的提取,提升器件的光伏性能。

该工作使用氨基酸作为双重钝化配体,通过简单的单步配体交换策略同时钝化CsPbI3钙钛矿量子点表面阴阳离子缺陷。相比于传统硝酸铅基量子点太阳能电池,制备的甘氨酸基量子点太阳能电池在功率转换效率上提高了16.9%。结合实验研究和理论计算证实量子点太阳能电池光伏性能的提升归因于甘氨酸配体有效钝化量子点表面缺陷,减少载流子复合,提升载流子迁移率从而改善电荷载流子的提取。本工作提出了一种调节钙钛矿量子点表面特性的新策略,全面论证了钙钛矿量子点表面性质与量子点太阳能电池器件性能之间的关系,为钙钛矿量子点在光伏或其他光电器件中的应用提供重要指导。

研究者相信,所提出的双重钝化配体交换策略为钙钛矿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“Dual Passivation of CsPbI3 Perovskite Nanocrystals with Amino Acid Ligands for Efficient Quantum Dot Solar Cells”为题,在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.202001772)上。论文第一作者为博士研究生贾东霖,该工作得到了国家自然科学基金,海外高层次人才引进和北航青年拔尖人才等项目的资助。