松山湖材料实验室林生晃研究员SusMat：效率超过15%的量子点敏化太阳能电池

研究背景

量子点（QD）作为吸光材料，因其具有多激子效应、高消光系数以及带隙可调，制备工艺简便等一系列优良特性，对光、热和湿度均有较好的稳定性，使得量子点敏化太阳电池（QDSCs）具有高光电转换效率、低成本的潜质。近几年通过对量子点材料设计、界面工程调控以及对电解质和对电极的深入探讨和研究，QDSCs光电转换效率已经达到了16%以上。然而，QDSCs对太阳光的光捕获利用效率低依旧是限制QDSCs效率进一步提升的关键科学问题，因此，如何提高光收集能力是开发高性能QDSCs的一个重要问题和基本策略。

成果简介

近日，松山湖材料实验室林生晃研究团队在提升量子点敏化太阳电池效率方面取得新进展。采用电化学剥离技术制备了具有高吸光特性的少层黑磷量子点（BPQDs），将其沉积到预敏化多元量子点的光阳极表面，实现两种量子点的协同吸收，以提升光阳极的光收集效率，将QDSCs的光电转换效率从14.11%提升到15.66%，该策略为QDSCs中光捕获效率低的问题提供了具体解决方案。这项工作首次将BPQDs引入到QDSCs中，在提升液结QDSCs器件中的光捕获效率方面展示了较大的潜力。

本文亮点

• 通过电化学剥离技术获得了高吸光特性，稳定性好的黑磷量子点，并且可简单通过调整转速控制所制备量子点的尺寸

• 首次将黑磷量子点材料引入到量子点敏化太阳电池的实际应用中

• 黑磷量子点沉积到预敏化ZnCuInSSe量子点的光阳极表面，实现黑磷量子点和ZnCuInSSe量子点的协同吸收

• 增强光阳极的光捕获效率，提升量子点敏化太阳电池的光电转换效率

图文解析

图1展示了黑磷量子点材料的制备过程示意图，以及其形貌和结构性能。紫外吸收光谱测试结果表明所制备的黑磷量子点具有良好的吸光特性，此外，TEM和AFM表征以及拉曼光谱和XPS能谱表征说明成功制备了BPQDs，并且BPQDs具有较好的尺寸均一性。

图1.（A）BPQDs的制备过程示意图；（B）BPQDs在不同离心转速下的吸收光谱；（C，D）BPQDs的TEM图以及放大的TEM图；（E）BP块材和BPQDs的拉曼光谱；（F）BPQDs的AFM图以及（G）沿着AFM图中所示方向的高度分布；（H）BPQDs的XPS能谱中提取的P 2p峰曲线。

图2展示了QDSCs中TiO₂/QD/BP光阳极的制备过程示意图。根据紫外吸收光谱可以看出BPQDs可以有效增加光阳极的光吸收能力。TEM图说明光阳极经过BPQDs处理后，量子点负载量有明显增加，其中能谱分析结果P元素在光阳极膜中呈均匀分布进一步证明BPQDs成功沉积在TiO₂表面，且未发生团聚。

图2.（A）光阳极的制备流程图；（B）基于不同光阳极的紫外吸收光谱；（C-F）TiO₂/QD和TiO₂/QD/BP的TEM图以及TiO₂/QD/BP光阳极的元素组成。

如图3所示，对所制备的TiO₂/QD/BP QDSCs中BPQDs的处理量对器件性能的影响进行了详细考察。BPQDs的导价带位置均高于ZCISSe量子点，有利于促进光生电子在光阳极内部的电子传输过程，减少电荷复合。随后，本工作详细分析了BPQDs的尺寸与用量对QDSCs的电池效率影响。对尺寸的优化实验结果表明，在8K的转速下所制备的BPQDs展示最高电池效率。同样地，对BPQDs的处理量进行了优化，并在处理量为90 μl时所制备的TiO₂/QD/BP QDSCs展示了最高11.28%的电池效率。随后，IPCE测试表征进一步表明在处理量为90 μl时对应的QDSCs展示了最高的EQE值，说明在此条件下TiO₂/QD/BP QDSCs具有最高的光电流值，这与J-V的测试结果表现出了较好的一致性。电流增加的主要原因是BPQDs的存在增加光阳的光阳极的光吸收能力，从而有效提高了器件的光伏性能。除此之外，本工作考察了所制备QDSCs的稳态功率输出，结果显示，沉积BPQDs后，QDSCs同样展示了较好的稳定性。

图3.（A，B）QDSCs器件结构示意图和能级结构图；（C-F）基于不同BPQDs处理量所制备QDSCs的J-V曲线；（G）基于不同BPQDs处理量所制备QDSCs的电池效率比较；（H）TiO₂/QD/BP-8K组装QDSCs的IPCE曲线；（I）QDSCs的稳态功率输出曲线。

如图4所示，对所制备的QDSCs的电化学行为进一步进行表征。相较于TiO₂/QD QDSCs，TiO₂/QD/BP QDSCs展示了较高的电荷复合阻抗值，有效抑制了器件中的电荷复合过程。对于TiO₂/QD光阳极，量子点在TiO₂膜表面的覆盖率仅为34%，也就是说量子点并没有完全覆盖TiO₂膜表面，因此会有裸露的TiO₂纳米颗粒与电解液直接接触，而这些裸露的TiO₂表面可能会导致TiO₂导带上的电子与电解液中氧化态物质复合，降低了器件的光伏性能。本工作通过引入BPQDs，实现BPQDs在TiO₂表面的沉积，占据了裸露的TiO₂表面，降低了器件内部电荷复合，从而提升了电池效率。此外，对QDSCs的电压衰减和电子寿命表征进一步说明BPQDs的存在抑制了器件的电荷复合，并提高了电子寿命。

图4. QDSCs的电化学行为表征。（A）化学电容；（B）电化学阻抗；（C）Nyquist图谱；（D）电压衰减；（E）电子寿命。

与常用的Cu₂S/brass对电极相比，含氮介孔碳负载的Ti网（NMC/Ti）对电极具有更好的电催化性能。在BPQDs处理量最优条件下，本工作基于NMC/Ti对电极制备了TiO₂/QD和TiO₂/QD/BP QDSCs。其对应的J-V曲线如图5所示。结果表明，基于NMC/Ti对电极所制备的电池器件，TiO₂/QD/BP QDSCs可将电池效率从对应于TiO₂/QD QDSCs的14.11%（Jsc = 24.23 mA cm^–2，Voc = 0.789 V，FF = 0.708）提升到15.66%（Jsc = 26.52 mA cm^–2，Voc = 0.802 V，FF = 0.720）。这个效率在目前液结QDSCs领域处于较高的水平。

图5.（A）基于NMC/Ti 对电极所制备的TiO₂/QD和TiO₂/QD/BP QDSCs的J-V曲线；（B）基于不同光阳极的QDSCs电池性能汇总。

总结展望

本文通过电化学插层技术成功制备了具有均匀尺寸分布的BPQDs并将其应用于QDSCs中。在预先敏化的TiO₂/QD膜基底上沉积一定量的BPQDs 实现TiO₂/QD/BP光阳极膜的制备，拟提高QDSCs的电池效率。研究发现，BPQDs的存在促进了电池器件的光捕获和电荷传输的能力。此外，在TiO₂/QD表面修饰BPQDs后，占据了部分裸露的TiO₂表面，有效地降低了器件内部不必要的电荷复合，并增强了相应QDSCs的光电流和光电压。本工作为进一步开发高效QDSCs提供了一种简单有效的研究策略。

该成果以“Boosting the efficiency of quantum dot sensitized solar cells over 15% through light-harvesting enhancement”为题在线发表在SusMat 上。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sus2.144?utm_medium=display&utm_source=xmol&utm_campaign=R32R45C&utm_content=DA30_Xmol_Journal_article_campaign_RM-CHINA_AGT_R32R45C_display_sus2144

Boosting the efficiency of quantum dot–sensitized solar cells over 15% through light-harvesting enhancement

Han Song, Haoran Mu, Jian Yuan, Baiquan Liu, Gongxun Bai, Shenghuang Lin. SusMat, 2023. https://doi.org/10.1002/sus2.144

主要作者简介

林生晃，松山湖材料实验室研究员，团队负责人。主要从事低维光电功能材料与器件的研发以及光电子集成方面的工作，聚焦新材料体系的构建和新型光电子器件的系统集成，以期为下一代光电子产业发展提供新思路。担任SCI期刊Materials&Design 客座编辑。主持或参与了国家及省级科研项目10余项，迄今已发表论文90余篇，包括Nature Communications、ACS Nano、Advanced Materials等。

《可持续发展材料（英文）》（SusMat）创刊于2020年，是由四川大学和Wiley出版集团共同主办的开放获取式英文学术期刊（双月刊）。本刊聚焦可持续发展材料领域研究前沿和热点，提供可持续发展材料领域研究前沿、最新重要成果、重大成就的发布与交流平台，助力建设“绿水青山美丽中国”、实现国家“碳达峰、碳中和”战略目标，以打造可持续发展材料领域的综合性权威期刊，高水平学术传播交流平台。期刊于2023年获首个影响因子28.4, JCI指数3.01。先后收录于DOAJ、ESCI、CAS等数据库。