Advanced Energy Materials:近红外光响应半导体量子点太阳能电池

合肥工业大学周儒、蒋阳,昆士兰大学王连洲AEnM:近红外光响应半导体量子点太阳能电池

摘要:薄膜制备、器件结构设计、窄带隙量子点分类及其光伏性能、光伏性能提升策略等

半导体量子点是一种激子束缚在三维空间的纳米晶体结构。量子点凭借其显著的量子限域效应,表现出类似于原子的不连续电子能级结构,为包括太阳能电池在内的各类光电子器件应用带来了新颖的物理、光学和电学特性。近红外光响应窄带隙半导体量子点可以通过量子尺寸效应最大限度地利用太阳能,成为设计高效、宽光谱响应太阳能电池的理想光伏材料,在下一代低成本、高性能太阳能电池应用中受到广泛关注。

合肥工业大学周儒副教授、蒋阳教授与昆士兰大学王连洲教授等合作撰写综述文章,系统分析了近红外光响应量子点作为太阳能电池吸光材料的最新研究进展以及器件性能提升策略,包括量子点材料与薄膜制备、器件结构设计、窄带隙量子点分类及其光伏性能、光伏性能提升策略等,并对近红外响应QDSCs的当前挑战和发展前景进行了展望。

图1. 各种类型近红外响应量子点太阳能电池的最新效率记录以及器件性能提升策略。

近红外响应窄带隙量子点类型可分为铅(Pb)基、镉(Cd)基、银(Ag)基、铜(Cu)基、其他新兴二元量子点以及钙钛矿量子点等。主要包括:(a)铅基硫属化合物量子点(PbS、PbSe、PbTe、PbSxSe1-x、PbSxTe1-x、CdxPb1-xS、Pb-Sb-S、Pb-Bi-S等)凭借其优异的光学和电学性能以及溶液可加工特性,在众多纳米晶体材料中脱颖而出,尤其是在实现多激子效应方面表现出巨大潜力;(b)作为经典的量子点体系,镉基近红外量子点(CdTe、CdSexTe1-x、CdHgTe等)也展现出不错的光伏性能,特别是合金吸光剂具有较宽的吸收范围、理想的能带结构和良好的化学稳定性;(c)考虑到铅基和镉基量子点的毒性问题,银基量子点(Ag2S、Ag2Se、AgInSe2、AgBiS2等)以其无毒、元素丰富的特性成为优秀的量子点候选材料;(d)铜基多元化合物作为一类传统的光伏材料体系,其量子点材料同样表现出优越的光电性能,包括CuInS2、CuInSe2、CuInSexS2-x、CuInxGa1-xSe2、Zn-Cu-In-Se、Cu2AgInSe4、Cu2ZnSnS4、Zn-Cu-In-S-Se、Cu2ZnSn(S,Se)4、Cu2GeSe3、CuBiS2、Cu2-xS等;(e)除上述性能可观的窄带隙量子点之外,其他一些目前光伏性能尚低但较有发展潜力的新型二元量子点包括SnS、FeS2、Bi2S3、HgTe、InAs、InP等;(f)低维量子点结构为金属卤化物钙钛矿材料提供了新颖的光电性能,具有带隙可调、组分可控、量子限域效应、稳定性好等优异特性,特别是钙钛矿量子点可通过丰富的表面基团调控实现钙钛矿薄膜无法获得的材料和器件特性。目前近红外响应钙钛矿量子点主要包括FAPbI3、CsxFA1-xPbI3等。本文系统总结了各种类型量子点的器件光伏性能最新研究进展。

光伏器件性能的提升需要从材料、薄膜和器件等全方位实施优化调控。基于太阳能电池基本原理,载流子的产生、分离和收集过程对于提高器件性能至关重要。迄今为止,研究人员已经探索了多种有效的光子和载流子管理策略,以提高近红外响应QDSCs光伏性能。目前,性能提升策略主要集中在增加载流子产生(量子尺寸效应、表面等离子体共振、纳米光子结构设计、协同吸收、叠层设计等)、促进载流子分离(掺杂、合金化、能带排列调控、配体交换、核/壳结构、界面修饰等)和加速电荷收集(体异质结结构、电子传输层修饰、空穴传输层优化等)。然而,目前QDSCs器件性能仍然落后于其他商用太阳能电池。基于该领域尚未解决的关键问题,下一步可围绕多激子效应利用、量子点合成与表界面工程、新型量子点开发、器件结构优化、器件稳定性提升、新概念器件开发等主题开展研究工作。

合肥工业大学周儒副教授为论文第一作者兼通讯作者,合肥工业大学蒋阳教授和昆士兰大学王连洲教授为共同通讯作者。论文第一单位为合肥工业大学,合作单位分别为昆士兰大学和中国科学院合肥物质科学研究院。

论文信息:

Near-Infrared Photoactive Semiconductor Quantum Dots for Solar Cells

Ru Zhou*, Jun Xu, Paifeng Luo, Linhua Hu, Xu Pan, Jinzhang Xu, Yang Jiang*, Lianzhou Wang*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202101923

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101923