Advanced Energy Materials:光伏量子点——两种材料的故事

由于对能源的需求与日俱增,并且由于化石燃料燃烧而加剧的环境问题,确保可持续和清洁能源技术已成为21世纪的首要任务。 将太阳能转换成电能的光伏(PV)装置因此引起了广泛的关注。 当前的商业化PV技术主要依靠晶体硅器件(Si),该器件已达到理论上的最大效率。因此,诸如有机太阳能电池,钙钛矿太阳能电池和胶体量子点太阳能电池等新的PV技术得到了快速发展。在这些多样化的光伏材料中,量子点具有独特的纳米结构均匀性和高度可调谐的特性,其还展现出独特的量子约束效应和多重激子产生效应。量子点太阳能电池可制成半透明且具有柔性,可用于有前景的应用,例如可穿戴式光伏和建筑集成式光伏器件。

量子点被定义为通常与表面配体化学合成的纳米级半导体晶体。当半导体晶体的尺寸减小到分子规模时,其体积性质将会同时改变。由于量子限制效应,量子点的吸收光谱和能级可以通过调节量子点大小而轻松地调整。例如,碲化镉状本征材料的带隙约为1.48 eV,而碲化镉量子点的带隙可实现在2.06到2.32 eV之间的调节。量子限制效应还可以为基于量子点的光电器件(例如光电探测器,发光二极管和太阳能电池)提供更好的能级和吸收匹配。此外,由于多重激子产生效应,在量子点光伏器件中,吸收的高能光子可能产生两个或多个激子。这个效应的独特功能可以潜在地提高单结器件的功率转换效率(PCE),从而克服了单节器件的功率的SQ理论转换效率极限。

在过去的几十年中,越来越多的研究开始关注量子点太阳能电池,并且在这种情况下已经有许多材料得到了开发。到目前为止,大多数高性能光伏量子点的报告主要分为两大类:铅硫族化物(PbX,X = S,Se)和钙钛矿卤化物(PVK)。近年来,量子点太阳能电池的PCE也一直在增长,迄今为止已经达到了创纪录的16.6%。澳大利亚新南威尔士大学段磊平博士,胡龙博士,Tom Wu教授以及苏州大学袁建宇教授及其团队对比研究了铅硫族化物量子点和钙钛矿量子点这两种材料材料对于光伏应用的相似性与各异性。这篇综述首先从物理性质以及光伏器件表现两方面对于这两种材料进行了对比和总结。之后,这个工作对于这两种材料的稳定性和潜在挑战也进行了详细讨论并提出了解决方法。

论文信息:

Quantum Dots for Photovoltaics: A Tale of Two Materials

Leiping Duan, Long Hu, Xinwei Guan, Chun-Ho Lin, Dewei Chu, Shujuan Huang, Xiaogang Liu, Jianyu Yuan*, Tom Wu*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202100354