Advanced Functional Materials:镧系稀土量子点助力高效稳定的钙钛矿太阳能电池

金属离子掺杂能调节钙钛矿晶格的生长速度,增强钙钛矿的内建电场和化学键等,是提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率和稳定性的有效手段之一。特别是镧系稀土离子,可以显著提高钙钛矿薄膜的质量,减少载流子在界面处的复合。然而,目前镧系稀土离子的掺杂通常是将镧系金属盐加入到钙钛矿前驱体中,掺杂的效果通常受到钙钛矿中固有缺陷(如VPb, VI, Ii)补偿的限制,使得掺杂效果并不显著,而且可能引入新的缺陷。

吉林大学宋宏伟、周东磊等提出将镧系稀土离子掺杂的钙钛矿量子点,引入到钙钛矿电池中,实现了镧系稀土离子在钙钛矿薄膜中的有效掺杂(“lattice to lattice”)。以此思想为基础的两项研究工作,均发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。实验结果表明,镧系稀土量子点的引入可以有效调节钙钛矿的功函数,减少载流子在界面处的复合,显著提高了器件效率和开路电压。器件性能的提高主要源于表面能降低,薄膜质量提高,表面缺陷和体缺陷减少,能带更加匹配等原因。这项工作展示了一种新型的镧系金属离子掺杂的方式,解决了离子掺杂在钙钛矿中的固有问题,探索了制备基于量子点钝化的高效率和高稳定钙钛矿太阳能电池的新方法。

具体内容介绍:

[1]

1. 通过热注入方法合成了基于镧系离子Ln3+ (Ln = Yb, Ce, Sm, Eu)掺杂的CsPbBrCl2量子点,将 Ln3+掺杂的CsPbBrCl2 PQDs在反溶剂过程引入到钙钛矿电池中。结果表明,镧系稀土离子量子点的表面配体可以钝化表面缺陷,并且由于量子点与MAPbI3具有相似的钙钛矿结构,可以在减少本征缺陷的同时,实现阴离子辅助的阳离子交换过程,促进镧系稀土离子部分替换Pb2+,实现“晶格到晶格”的有效掺杂。其中,基于Sm3+ 掺杂的改性器件实现了22.52%的最高效率,具有 1.20 V 的开路电压,是目前MAPbI3体系中最高效率之一。

此工作的第一作者为庄歆萌博士。

图1 镧系稀土量子点修饰的太阳能电池的效率

图2 镧系稀土量子点提高太阳能电池效率机理

[2]

首次制备了基于镧系稀土离子的Cs3TbCl6量子点,此量子点具有以431 nm为中心的激子发射和Tb3+的特征发射峰,在室温下具有51.20%发光量子效率。对Tb3+在545nm处的激发光谱与在431nm处的激发光谱进行比较,说明Tb3+的发射源于Cs3TbCl6导带向Tb3+的能量转移。利用Cs3TbCl6量子点作为钝化剂应用于钙钛矿薄膜表面,降低了钙钛矿薄膜中的缺陷密度,提高钙钛矿薄膜质量,减少载流子在界面处的复合。最终制备了具有22.89%光电转换效率和1.235 V超高开路电压(Voc)的稳定Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3钙钛矿太阳能电池。进一步,采用了双修饰工程优化钙钛矿电池器件性能,将黑磷量子点(BPQDs)加入空穴传输材料(Spiro-OMeTAD)中,最终制备的PSCs具有23.49%的光电转换效率和80.32%填充因子。

图3 Cs3TbCl6量子点结构与光学性能表征

图4 钙钛矿电池器件结构与性能测试

此工作的第一作者为刘帅男。

论文信息:

[1]

Synergistic Effects of Multifunctional Lanthanides Doped CsPbBrCl2 Quantum Dots for Efficient and Stable MAPbI3 Perovskite Solar Cells

Xinmeng Zhuang, Rui Sun, Donglei Zhou*, Shuainan Liu, Yanjie Wu, Zhichong Shi, Yuhong Zhang, Bin Liu, Cong Chen, Dali Liu*, Hongwei Song*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202110346

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202110346

[2]

Dual Modification Engineering via Lanthanide-Based Halide Quantum Dots and Black Phosphorus Enabled Efficient Perovskite Solar Cells with High Open-Voltage of 1.235 V

Shuainan Liu, Jiekai Lyu, Donglei Zhou*, Xinmeng Zhuang, Zhichong Shi, Rui Sun, Le Liu, Yanjie Wu, Bin Liu, Dali Liu*, Hongwei Song*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202112647

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202112647