Small:相转移法胶体量子点墨水的合成及其在太阳能电池中的应用

胶体量子点(CQDs)是一类尺寸小于激子玻尔半径的半导体纳米晶。由于尺寸较小,CQDs表现出很强的量子限制效应,因而具有许多独特的光学特性。其中较为突出的是其具有较宽的光吸收范围,可从紫外光波段拓展到红外光波段,因此CQDs特别适合用于太阳能电池的研究。然而,CQD的合成中引入的长链配体通常具有绝缘性,因此会阻碍载流子传输,从而影响器件性能。鉴于此,将CQDs用于制备光电器件之前,对其表面进行钝化将具有十分重要的意义。

迄今为止,固相交换法(SSE)和相转移法(PTE)是使用频次较高的两种方法。固相交换法在21世纪初就被广泛应用与量子点表面配体交换中,并使得CQD太阳能电池效率达到了12.5%。然而,此方法流程较多,原材料消耗大;同时在薄膜制备过程中容易引入裂缝,孔洞和缺陷等,影响了器件性能的进一步提高。鉴于此,PTE得到了科研工作者的广泛关注。PTE交换过程中,由于表面配体的交换过程在液相中进行,CQD表面缺陷浓度得到了极大的降低;同时根据胶体化学的相关原理,可以高效利用液相交换的优点,引入各种配体以提高量子点在极性溶液中的分散度、稳定性和表面矩阵结晶性,从而使得CQD太阳能电池的性能增大到14%。此方法对CQD太阳能光电器件的发展具有十分重要的意义。

武汉工程大学袁陌汉何俊刚,华中科技大学光电国家研究中心陈超副教授、蓝新正教授和唐江教授等系统介绍了PTE方法的原理,以及PTE CQD量子点的钝化方法,表面结晶矩阵的调控方法和太阳能电池研究的最新进展。指出基于卤化铅及其它金属卤化物配体的PTE方法是降低CQD表面缺陷浓度、提升太阳能电池光电转换效率的主要原因。在此基础上,该综述文章对未来CQD光电器件的研究提出了一些建议。对于CQD墨水的制备需要开展更为细致的研究工作以提高配体交换效率,特别是针对CQD的微观结构设计相关实验;在获得高质量墨水后,需要利用PTE具有高兼容性的特点,制备出缺陷少和迁移率高的CQD薄膜;最后,选择合适的电子传输层和空穴传输层及界面钝化材料等,减少载流子在层与层之间的传输损失。这些深入的研究将对CQD太阳能电池性能的发展具有重要意义。

上述工作得到了国家自然科学基金项目(61804061, 61725401,61904058);中央高校基本科研专项项目(2016YFA0204000),华中科技大学创新交叉重点团队(2016JCTD111, 2017KFXKJC003),材料复合新技术国家重点实验室(武汉理工大学)开放基金(2021-KF-8)和武汉工程大学新进教师启动基金项目(19QD09)的支持。

论文信息:

Phase-Transfer Exchange Lead Chalcogenide Colloidal Quantum Dots: Ink Preparation, Film Assembly, and Solar Cell Construction

Mohan Yuan, Xia Wang, Xiao Chen, Jungang He*, Kanghua Li, Boxiang Song, Huicheng Hu, Liang Gao, Xinzheng Lan*, Chao Chen*, Jiang Tang

Small

DOI: 10.1002/smll.202102340

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202102340