【引言】

膠體量子點擁有帶寬可調(diào)節(jié)、造價低廉等優(yōu)勢，被認為是一種應用前景廣闊的太陽能電池材料，其中硒化鉛（PbSe）量子點以多重激子效應和高效載流子遷移為著稱。然而，硒化鉛量子點在空氣中非常容易氧化，這導致其表面具有較多缺陷，從而限制了對應的太陽能電池的開路電壓和填充因子，阻礙了其光電轉(zhuǎn)發(fā)效率的進一步提高。因此，硒化鉛量子點電池急需尋求一種有效鈍化表面缺陷的方法，以提高其在空氣中的穩(wěn)定性與電池效率。

【成果簡介】

近日，澳大利亞新南威爾士大學的Zhilong Zhang 博士（第一作者）與Shujuan Huang博士（通訊作者）等人在Advanced Materials上發(fā)表題為“A New Passivation Route Leads to Over 8% Efficient PbSe Quantum Dot Solar Cells via Direct Ion Exchange with Perovskite Nanocrystals”的文章。 該文章報道了一種創(chuàng)新的表面鈍化方法：通過銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶與表面含氯的硒化鉛量子點之間進行離子交換，在硒化鉛量子表面形成更穩(wěn)定的混合鹵化物鈍化層。這不僅有效地提高了其熒光量子產(chǎn)率和在空氣中的穩(wěn)定性，更進一步地把硒化鉛量子點太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)化效率提高至8.2%。這是首次公開報道的光電轉(zhuǎn)化效率超過8%的硒化鉛量子點太陽能電池。此外，通過該鈍化處理的器件同時展示了非常好的空氣穩(wěn)定性，在沒有封裝的情況下在空氣中存放57天后仍能保持其初始光電轉(zhuǎn)化效率的95%。

【圖文導讀】

圖1. 硒化鉛量子點（PbSe QDs）與銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶（CsPbBr3/CsPbI3）之間的離子交換過程示意圖與交換前后材料的發(fā)光和吸收光譜。

（a）PbSe QDs（Cl鈍化） 與 CsPbBr3/CsPbI3鈣鈦礦納米晶之間的鹵族離子交換過程示意圖。

（b）交換反應后混合物的在紫外燈下的可見區(qū)發(fā)光，其發(fā)光顏色由CsPbBr3/ PbSe的初始混合比例決定。

（c）圖1（b）中的混合物在可見區(qū)的光致發(fā)光光譜。

（d）CsPbI3鈣鈦礦納米晶與PbSe QDs發(fā)生離子交換后的光致發(fā)光光譜變化。

（e）交換反應后經(jīng)過提純的PbSe QDs的吸收與發(fā)光光譜。

圖2. 透射電子顯微鏡（TEM）下的PbSe QDs與鈣鈦礦納米晶混合物和通過X光能量色散譜（EDS）的得到鹵族元素分布圖。

（a）PbSe QDs與CsPbBr3鈣鈦礦納米晶混合物的TEM照片。

（b）經(jīng)過CsPbI3鈣鈦礦納米晶處理后的PbSe QDs的TEM照片。

（c）-（d） 氯元素在圖2（a）與（b）中的分布。

（e） 溴元素在圖2（a）中的分布。

（f） 碘元素在圖2（b）中的分布。

圖3. 運用不同鈍化處理后的PbSe QDs所制備的太陽能電池的性能分析。

（a）以三種不同鈍化處理后PbSe QDs所制備的太陽能電池的電流密度-電壓（J-V）曲線。

（b）PbSe QDs太陽能電池的外量子產(chǎn)率曲線。

（c）這三種太陽能電池的效率分布圖。

（d）-（e） 未經(jīng)處理與經(jīng)CsPbBr3鈣鈦礦納米晶處理的PbSe QDs薄膜的瞬態(tài)吸收光譜。

（f） 三種PbSe QD太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率隨時間的變化。

【小結】

這項研究提出了一種嶄新且高效的硒化鉛量子點鈍化方法。通過與銫鉛溴/碘鈣鈦礦納米晶之間的離子交換，硒化鉛量子點可以獲得更加穩(wěn)定的混合鹵化物鈍化層。這個方法不僅提升了量子點的熒光量子產(chǎn)率，更大幅提高了硒化鉛量子點太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率與空氣穩(wěn)定性。本項研究的研究團隊在2016年曾在Advanced Energy Materials上報道了第一個效率高于7%的硒化鉛量子點太陽能電池，而在本項研究中進一步把其轉(zhuǎn)換效率紀錄第一次提升到8%以上。