AEnM:高效穩定的硫化鉛量子點墨水用於近紅外太陽能電池

2021-01-21 MaterialsViews

能源是人類賴以生存的驅動力，但地球上的能源儲存又是有限的。進入21世紀以來，全球超過85％的能源需求是通過石油，煤炭和天然氣的燃燒來提供的，隨著石油可開採量逐漸減少和生態環境日益惡化等因素，能源短缺和環境汙染成為目前實現人類可持續發展所面臨的兩大難題。因此，人們對清潔、安全、可持續的能源需求量越來越大，探索利用化石能源之外的新能源，加快發展新能源產業發展，已成為各國共同面對的一項重要課題。太陽能取之不盡用之不竭，每年從太陽輻射到地球的能量遠遠大於人類每年能源消耗的總量。因此，太陽能被認為是最有前景的一種能源形式之一，同時，通過光伏太陽能電池將太陽能轉化為電能是解決能源短缺的最有前途的方法之一。

硫化鉛量子點具有優異的光吸收和發射特性，帶隙可調性、高穩定性和溶液加工性，除此之外，其帶隙可以覆蓋整個可見光到中紅外區域，因此可被廣泛應用於諸如近紅外探測器，發光二極體，場效應電晶體和太陽能電池等光電器件中。然而，儘管具有如此吸引人的特性，但是所獲得的硫化鉛量子點太陽能電池的光電能量轉換效率仍然較低，這主要是由於配體交換的不完全以及量子點薄膜製備過程中產生缺陷所致。這些陷阱狀態導致載流子複合損失，阻礙電荷傳輸，最終限制了器件的光電能量轉換性能。

北京航空航天大學張曉亮老師課題組和瑞典烏普薩拉大學Erik Johansson教授合作，針對這一問題進行了深入研究。本文亮點在於利用液相配體交換充分去除量子點表面的油酸配體，並將量子點至於中性體系中防止量子點團聚，進一步優化膠體量子點配體交換的有效性和墨水穩定性，從而減少量子點太陽能電池器件的載流子複合，提升器件的光伏性能。該工作使用碘化銨進行液相配體交換，成功製備出硫化鉛量子點墨水，並且量子點墨水具有很好的穩定性。量子點太陽能電池的光電能量轉換效率達到11.4％，並且器件表現出很好的穩定性。實驗和理論模擬的結果證實，量子點太陽能電池優異的光伏性能歸因於表面鈍化有效減少載流子複合。這項工作全面給出了膠體量子點墨水體系的重要設計思路，為量子點墨水技術在光伏或其他光電器件中的應用提供了重要指導。研究者相信，所研究的穩定量子點墨水為量子點太陽能電池的產業化邁出了重要的一步。相關論文以「Highly Stabilized Quantum Dot Ink for Efficient Infrared Light Absorbing Solar Cells」為題，在線發表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201902809）上。該工作得到了國家自然科學基金，海外高層次人才引進和北航青年拔尖人才等項目的資助。

Small Methods: 全近紅外材料構築高透光有機太陽能電池

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