Advanced Functional Materials:“鱼”(电学耦合)和“熊掌”(表面钝化)兼得的量子点薄膜助力红外太阳能电池性能提升

随着cSi太阳能电池接近其S-Q理论效率极限,亟需开发新的策略进一步提高器件的效率。由太阳光谱与cSi光吸收曲线对比可知,由于cSi大的间接带隙~1.1 eV,约20%的太阳光能量被浪费。因此,收集这些低能光子(<1.1 eV)是进一步提升cSi电池效率简单而有效的方案。理论计算已预测,利用红外太阳能电池收集太阳光中1100 nm以上的光子,将可额外提供6 %的绝对能量转换效率。

目前的红外电池主要采用PbS量子点(QDs),其红外太阳能电池效率已达到1.17 %,且在引入纳米结构背反层后其效率进一步增加至1.34 %。但PbS QDs的本征低电子耦合特性导致其薄膜的载流子传输能力较差,不利于载流子抽取而导致器件低的短路电流密度(JSC)。PbSe QDs具有更强的量子限域效应和波函数重叠,确保了优异的载流子输运能力。PbSe QD膜的载流子迁移率可高达24 cm2 V-1 s-1。优异的载流子输运可促进器件中光生载流子的抽取,实现高JSC。因此,PbSe QDs是解决目前红外太阳能电池低JSC的关键。然而,目前还未见关于低带隙PbSe QDs(<1.1 eV)红外太阳能电池的报道,这可能是由于大尺寸PbSe QDs表面暴露更多高活性的富Se的(100)晶面,导致其表面钝化工程异常困难。较差的表面钝化会产生较高的开路电压(VOC)损失,这也可能是目前宽带隙PbSe QDs(~1.3 eV)电池性能较差的原因。因此,对于红外量子点太阳能电池,获得高效率器件的关键是同时实现量子点优异的载流子传输和有效的表面钝化。

华中科技大学光学与电子信息学院张建兵团队将阳离子交换与原位卤素钝化相结合,在PbSe QDs上外延生长PbS薄壳,获得了兼具高电子耦合和优异表面钝化的PbSe/PbS核壳量子点,并实现了高效红外太阳能电池。带隙位于~0.95 eV的PbSe/PbS核壳量子点红外太阳能电池在Si过滤后获得了更高的VOC (0.347 V),是PbSe QDs器件的1.46倍。此外,由于其量子点间较强的耦合特性,PbSe/PbS QDs器件比目前报道的PbS QDs器件具有更高的红外JSC (6.38 mA cm-2)。最终,在未引入光学结构的情况下实现了高达1.24%的Si过滤后的红外效率,这是首次实现PbSe QD基太阳能电池效率高于PbS QD基器件,展示出PbSe/PbS QDs在红外光电器件中巨大的应用潜力。

相关工作以“Efficient Infrared Solar Cells Employing Quantum Dot Solids with Strong Inter-Dot Coupling and Efficient Passivation”为题,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202006864)上。论文第一作者为华中科技大学的刘思思博士。该工作得到了厦门大学杨晔教授和武汉光电国家研究中心唐江教授团队的大力支持。