Nature子刊：11.28%的胶体量子点太阳能电池！

胶体量子点由于其尺寸可控，能带可调，溶液法制备简便以及高分散性等优点，在低成本、大面积、空气稳定的光伏器件应用中颇具前景。近年来，表面钝化以及器件结构构筑的优化，使得量子点太阳能电池的认证效率达到10.6%。器件稳定性也不断提升，可在空气中保存150天而不发生PCE降低。

 

 

图1. 溶剂极性工程化的卤化物钝化实现10.6% PCE

 

目前存在的一个主要问题在于：胶体量子点固体中存在的不均匀能级相图，扩宽了能带边界的电子态分布，在导带和价带中产生能带尾态，导致开放回路电压的损失，并抑制光伏器件中的载流子传递。

能带尾态一方面来自于所制备的胶体量子点的多分散性，另一方面来自于配体交换过程中的有机配体残留以及团聚行为。因此，如何进一步优化胶体量子点的尺寸分散性和配体交换的有效性，是提高胶体量子点太阳能电池性能的关键！

 

有鉴于此，Liu等人报道了一种新型液相配体交换的胶体量子点墨水，具有高堆积密度和平滑的能级相图。

 

 

 

图2. 醋酸铵辅助卤化铅进行配体交换的示意图

 

研究人员以卤化铅作为前驱体，少量醋酸铵用于胶体稳定，对分散于正辛烷中的，油酸分子包裹的PbS胶体量子点进行配体交换。在NH₄⁺的辅助下，大量油酸配体被[PbX₃]^-阴离子替换，[PbX]⁺和NH₄⁺在极性溶剂中同时起到保护PbS的作用。配体交换之后，加入反溶剂使胶体量子点沉淀，混合溶剂带走了醋酸铵和多余的卤化铅类盐，仅仅留下[PbX₃]⁻/[PbX]⁺保护的胶体量子点，几乎不残留任何有机配体。

 

这种方法和之前常规的CH₃NH₃I和MAPbI₃交换法的最大区别在于：实现了在溶液中去除有机阳离子长链配体，使胶体量子点表面卤化物的量达到最大，确保活性层的沉积不需要经过破坏性的配体交换。

和之前最佳性能的固态LBL方法和常规液相交换方法相比，这种新型的胶体量子点墨水的优势在于：降低了能带尾态，提高了开放回路电压，使载流子传递和电荷注入电子受体更加有效，确保在最佳能带下吸收更多光。

这种液相配体交换法制备的胶体量子点薄膜太阳能电池的认证PCE达到11.28%，未经包裹保护的器件在空气中稳定保存超过1000 h。高浓度卤化物还起到更好的钝化作用，确保更厚的活性层器件能吸收更大比例的入射太阳光。

 

 

 

图3. 堆积密度增强和能带尾态更陡

 

 

 

图4. 胶体量子点太阳能电池性能

 

 

本文主要参考以上所列资料，图片仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。如有任何版权问题，请随时与我们联系！

 

1. Mengxia Liu, Edward H. Sargent et al. Hybrid organic–inorganic inks flatten the energy landscape in colloidal quantum dot solids. Nature Materials 2016.

2. Xinzheng Lan, Edward H. Sargent et al. 10.6% Certified Colloidal Quantum Dot Solar Cells via Solvent-Polarity-Engineered Halide Passivation. Nano Lett. 2016, 16 , 4630–4634.