二次吸附新策略实现量子点敏化太阳电池效率突破15%

由于量子点吸光材料优异的光电性能，量子点敏化太阳电池（QDSC）具有高效率、低成本潜质。QDSC的研究近年来发展迅速，所报道的最高认证效率达到了14%以上，然而与其理论转换效率（44%）相比仍存在较大差距。限制效率提升的一个关键因素是量子点在TiO₂膜电极表面负载量低。近日，华南农业大学潘振晓、钟新华教授团队在提高量子点负载方面取得新突破，将QDSC效率纪录提升至15.2%的新水平。

量子点在TiO₂膜基底表面的高覆盖率是QDSC获得高效率的必备条件。量子点的负载量不仅直接决定了电池的光捕获能力，同时对光阳极界面电荷复合及电荷收集效率有重要影响。目前，配体诱导自组装沉积方法是QDSC中主流的负载方法，然而由于量子点相对较大的尺寸（3-5 nm）以及表面所带电荷的斥力作用，将胶体量子点高密度沉积到TiO₂基底极为困难和充满挑战，文献所报道的最高量子点覆盖率仅为34%。因此，量子点的低负载已成为QDSC性能提升的瓶颈。

量子点在TiO₂膜上的吸附沉积本质上是一个溶质聚集态改变（从溶液态转移到固体表面吸附态）的过程，也是一个从高势能态到低势能态转移及至平衡的过程。当量子点吸附饱和后，增强量子点与TiO₂基底间的相互作用或减弱量子点与分散溶剂分子之间的相互作用均能促使量子点进一步沉积负载。文献有关静电作用辅助沉积就是属于增强量子点与TiO₂基底之间相互作用的实例。例如在饱和吸附带负电荷的量子点后，通过采用带正电荷的季铵盐或聚电解质分子修饰光阳极表面，可以二次吸附量子点实现负载量的提升。然而该方法容易导致量子点的聚集和多层堆积，引入了新的电荷复合中心从而降低了电荷收集效率和电池性能。因此开发出一种不额外增加电荷复合的二次吸附方法，来提高量子点负载量进而提高电池性能，显得极为重要和充满挑战。

图1. 通过创建新的吸附位点促进量子点二次吸附示意图

为增强量子点与TiO₂基底之间相互作用以实现量子点二次沉积，钟新华教授团队采取的策略是通过sol-gel方法在已经吸附饱和的光阳极表面构筑氧化物纳米薄层（图1）。该新生成的氧化物薄层充当量子点新的吸附位点，对应的就是降低吸附态的势能，因而可以继续吸附负载量子点，从而提高量子点的负载量。文章中系统研究了不同金属盐溶液水解的作用，发现Mg²⁺、Ti⁴⁺、Ca²⁺、Sr²⁺等盐溶液水解形成的氧化物均可以显著提高量子点负载。以MgCl₂为例，Zn-Cu-In-S-Se (ZCISSe) 量子点在TiO₂基底表面首次吸附饱和后，采用MgCl₂溶液处理光阳极表面构筑Mg(OH)_x纳米薄层，继而将ZCISSe量子点进行二次吸附。吸收光谱结果表明，该二次沉积新工艺将量子点的负载量提高了38%（图2）。同时，量子点负载量的提升有助于抑制界面电荷复合过程，提高了电荷收集效率。最终，经过二次沉积的ZCISSe QDSC不仅显著提高了光电流，光电压和填充因子两个参数也有明显提升。QDSC平均效率从最初的13.54% (J_sc = 24.23 mA cm^‒2, V_oc = 0.789 V, FF = 0.708) 提高到15.31% (J_sc = 26.52 mA cm^‒2，V_oc = 0.802 V，FF = 0.720)，并获得了15.20%的第三方认证效率，首次将QDSC的认证效率提高到15%以上。

图2. 二次吸附前后的光阳极吸收光谱图、阻抗谱图以及QDSC J-V曲线

该方法不仅实现了QDSC中量子点负载量的提升，同时也为采用胶体溶液方法构筑各类纳米器件提供了理论依据和指导。这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，文章的第一作者为华南农业大学博士研究生宋含。

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Improving the Efficiency of Quantum Dot Sensitized Solar Cells beyond 15% via Secondary Deposition

Han Song, Yu Lin, Zhengyan Zhang, Huashang Rao, Wenran Wang, Yueping Fang, Zhenxiao Pan*, Xinhua Zhong*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 4790–4800, DOI: 10.1021/jacs.1c01214