本文研究開發了一種共軛聚合物-量子點雜化本體異質結層，在優化薄膜表面形貌，改善活性層與傳輸層之間的接觸，以及將表面轉變為疏水層方面起重要作用，製備的鈣鈦礦量子點太陽能電池效率處於報導的前列。
鈣鈦礦量子點太陽能電池因其光譜帶隙可調性，靈活的組分控制，晶體應變等眾多優點而受到廣泛關注，且能提供探索薄膜太陽能電池中不易實現的一些概念的機會，比如說量子限域，多樣化加工及器件結構，對於量子點活性層來說，常用的有機空穴傳輸層可以對量子點層表面進行合理鈍化，但由於能級順差較大，在溶液製備法中，量子點層和傳輸層對於電荷提取並不理想，尋找一種合適而又簡單的方法來調整兩者對接口以改善電荷收集效率是進一步提高電池效率的有效方法。
蘇州大學馬萬裡團隊為實現這一目標，研究開發了一種共軛聚合物-量子點雜化本體異質結層，混合層充當傳輸層與活性層的中間橋梁，建立能級(量子點/聚合物-量子點/傳輸層)以實現有效的空穴傳輸與電子阻隔，理論上可增強電荷採集，並在CsPbI3與FAPbI3體系中均證明其可行性。相關論文以」High-Efficiency Perovskite Quantum Dot Solar Cells Benefiting from a Conjugated Polymer-Quantum Dot Bulk Heterojunction Connecting Layer」於近日發表在Journal of Materials Chemistry A上。
研究者在基於CsPbI3與FAPbI3兩種量子點體系中選用高效能聚合物材料：」PBDB-T」,」PTP8」,」PTB7-Th」,」PTB7」，四種共軛聚合物的光學性質首先被研究，與量子點吸收互補，且能級基本匹配對應成階梯狀，理想情況電荷損失降低。隨後研究者製備雜化共混膜並全面研究其光學及物理性質。
根據與對照的純器件比較，含有雜化層的外量子效率呈現明顯改善，整體電流增強，在穩態光致發光(PL)和時間分辨光致發光(TRPL)測量，均顯示此結構可以提高光收集和電荷收集效率。在變光強表徵中進一步探究聚合物對器件載流子動力學的作用，加入了混合層後載流子非輻射複合，缺陷誘導複合減少。之後再活性層與傳輸層中間的界面形貌利用SEM與AFM等顯微方式探究，晶粒尺寸與表面粗糙度的改善，裂紋的減少預示著表面配體的去除，薄膜表面形貌更加平滑具有連續性，使得在混合膜中電荷轉移與傳輸更加便捷。
圖1.所用到的聚合物材料分子結構及鈣鈦礦基本信息
圖2.CsPbI3與FAPbI3製備的器件及混合層的光電特性
圖3.器件電荷收集效率機理的理解
圖4.聚合物對載流子動力學的作用
圖5.聚合物對表面形貌的影響
總的來說，研究者通過將功能性共軛聚合物溶解在兩種不同的量子點溶液中來製備聚合物-量子點本體異質結混合雜化界面層，在優化薄膜表面形貌，改善活性層與傳輸層之間的接觸，以及將表面轉變為疏水層方面起重要作用，CsPbI3與FAPbI3量子點電池的效率分別提高到14%和13.2%，處於報導的前列。證明了一種高效簡便調整有機-無機界面且普適的製備鈣鈦礦量子點太陽能電池的方法。（文：kirin）
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