镱和铈共掺杂卤化物钙钛矿量子点用于提高硅太阳能电池的效率

作为高效和成熟的光电转换平台，硅太阳能电池已经得到了广泛的应用。硅太阳能电池的响应覆盖了紫外、可见和近红外（300-1100纳米）区域，并且在AM 1.5G下晶体硅（c-Si）太阳能电池的最大理论效率可接近31%。目前，大多数商用硅太阳能电池的光电转换效率为10-25.6%。硅太阳能电池在紫外线和蓝色波长（300-450 nm）处的响应很弱，限制了硅太阳能电池效率的进一步提高。到目前为止，人们已经报道了很多方法解决这个问题，例如制作不同的叠层太阳能电池（如钙钛矿/硅太阳能电池、聚合物/钙钛矿太阳能电池等）或在硅太阳能电池的表面插入各种光致发光层。在不同光致发光转换器中，稀土离子的下转换或量子剪裁是一种非常有吸引力的方法。通过不同稀土发光中心之间的能量转移过程，例如Ce³⁺和Yb³⁺，量子剪裁可以吸收一个紫外/可见光子，发射两个或多个近红外光子，并有望大大提高硅电池的效率。然而，由于缺乏理想的下转换材料，直到现在这种方法还仅处于实验室试验阶段。

基于优良的可调控光学和电学性质以及在各种光电器件中巨大的应用潜力，新一类的卤化物钙钛矿量子点引起了广泛的关注，特别是无机CsPbX₃（X = Cl，Br，I）量子点具有高达90%的量子效率。最近，一些过渡金属离子如Mn²⁺、Bi³⁺取代Pb²⁺成功地掺杂到钙钛矿晶格中，并显著改善了卤化物钙钛矿量子点的光学和电学性质。将近红外发射的稀土离子引入卤化物钙钛矿量子点的晶格中可以同时表现出稀土离子（长寿命和大Strokes偏移）和钙钛矿量子点（大吸收截面、弱电子-声子耦合和高发光量子产率）的优良性能。

近日，吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室的宋宏伟教授（点击查看介绍）课题组报道了镱和铈共掺杂无机卤化物钙钛矿量子点提高硅太阳能电池效率的研究。文章使用热注入法合成了Yb³⁺掺杂、（Yb³⁺, Er³⁺）和（Yb³⁺, Ce³⁺）共掺杂的CsPbCl_x Br_3-x 量子点，观察到钙钛矿量子点的激子发射和988纳米处Yb³⁺离子的红外发光。研究发现，Yb³⁺离子的红外发光来自量子剪裁过程，其中，CsPbCl_1.5Br_1.5:Yb³⁺ ，Ce³⁺的量子效率达到146%。通过简单的液相沉积方法，钙钛矿量子点能够成功自组装在商用单晶硅太阳能电池的表面，硅电池的效率从18.1%提高到21.5%，相对提高18.8%。

图1.（a-h）掺杂有不同稀土离子钙钛矿量子点的TEM成像；（i）掺杂有不同稀土离子钙钛矿量子点的XRD成像；（j）Yb³⁺掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5和未掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5量子点的XPS谱图；（k）Yb³⁺掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5和未掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5量子点的高分辨晶格成像。

图2.（a）365 nm光激发下不同Yb³⁺离子掺杂浓度钙钛矿量子点的吸收与发射光谱图；（b）365 nm光激发下不同稀土离子掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5量子点的吸收与发射光谱图；（c）不同稀土离子掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5量子点的激发光谱图；（d）不同稀土离子掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5量子点的激子发射动力学；（e）不同稀土离子掺杂CsPbCl_1.5Br_1.5量子点的Yb³⁺离子发光的动力学；（f）CsPbCl_1.5Br_1.5:Yb³⁺， Ce³⁺量子点的激子发光与量子剪裁发光机理。

图3.（a）稀土掺杂钙钛矿量子点用于提高硅电池光电转换效率的示意图；（b）不同厚度钙钛矿量子点薄膜的透射光谱；（c）旋涂在玻璃片上的CsPbCl_1.5Br_1.5:Yb (7.1%)，Ce (2%)钙钛矿量子点在太阳光下的成像，使用400纳米长通滤光片进行滤光；c₁：过滤红外光的照片；c₂：用红外相机拍摄的红外发光；c₃：旋涂在硅电池上的CsPbCl_1.5Br_1.5: Yb (7.1%)，Ce (2%)钙钛矿量子点在太阳光下的成像；（d）不同厚度钙钛矿量子点覆盖的单晶硅电池的I-V特性曲线；（e）不同厚度钙钛矿量子点覆盖的单晶硅电池的IPCE曲线；（f）不同稀土掺杂的钙钛矿量子点覆盖的单晶硅电池的效率比较。

相关工作发表在Advanced Materials 上，文章的通讯作者是吉林大学的宋宏伟教授、徐文老师，第一作者是吉林大学的博士研究生周东磊。

该论文作者为：Donglei Zhou, Dali Liu, Gencai Pan, Xu Chen, Dongyu Li, Wen Xu, Xue Bai and Hongwei Song

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Cerium and Ytterbium Codoped Halide Perovskite Quantum Dots: A Novel and Efficient Downconverter for Improving the Performance of Silicon Solar Cells

Adv. Mater., 2017, 29, 1704149, DOI: 10.1002/adma.201704149

导师介绍

宋宏伟

http://www.x-mol.com/university/faculty/49565