苏州大学马万里教授团队Angew：配体辅助电子耦合调控的高效稳定FAPbI3胶体量子点太阳能电池

由于高比表面积，胶体量子点（QD）的表面化学通常在其光电性质调控方面起着关键作用。对于新兴的钙钛矿QD，深入了解其表面特征及其对材料和器件的影响有着重要意义。近日，苏州大学的马万里教授和袁建宇教授团队结合实验和理论计算探究了不同QD的表面配体状态，并报道了一种简单的表面重构策略调控量子点电子耦合，实现了基于FAPbI₃ QD太阳能电池的最高效率。

由于量子限域效应和尺寸效应，胶体钙钛矿量子点相较于对应的体材料展现出如多激子效应、带隙高度可调、高的荧光量子产率等优势。2016年，NREL的Joseph Luther研究员首次将全无机CsPbI₃ QD引入到光伏器件领域。至今，全无机钙钛矿QD光伏性能获得了迅速发展。然而，全无机CsPbI₃ QD表现出较差的相稳定性和较宽的光学带隙，限制了其光伏器件性能的进一步发展。有机无机杂化FAPbI₃ QD展现出了近红外吸收、更高的相稳定性和更长的载流子寿命。但是，到目前为止基于FAPbI₃ QD太阳能电池的研究较少。此外，将器件性能表现良好的全无机CsPbI₃ QD表面配体处理工艺直接应用到杂化FAPbI₃ QD太阳能电池，对器件性能提升收效甚微。

为了探明全无机QD和有机无机杂化QD之间的配体构型的差异，并探究一条可以同时提升两者光伏器件性能的可行策略，该团队通过结合实验与理论计算发现，杂化FAPbI₃ QD表面油胺 (OAm⁺) 和油酸 (OA^-) 配体吸附能分别为5.04 eV和8.21 eV，而全无机CsPbI₃ QD表面OAm⁺和OA^-配体吸附能分别为5.00 eV和5.09 eV。杂化FAPbI₃ QD中提高的表面配体吸附能可能是由于有机甲脒阳离子与表面配体存在氢键作用 (NH…O、NH…N)，这也使得FAPbI₃ QD表面配体相比于CsPbI₃ QD更加难以去除，从而严重影响了QD间的电子耦合致使器件性能较低。该研究团队通过离子液体硫氰酸甲脒 (FASCN) 辅助下，开发了一种简单的表面重构策略来调节并操控QD的电子耦合。FA⁺阳离子和类卤素SCN^-阴离子能够分别促进表面OAm⁺和OA^-配体交换，同时填补配体移除过程中产生的FA⁺和I^-空位并通过Pb-S配位钝化Pb²⁺。基于FASCN的配体交换与表面钝化的协同作用，该表面重构策略可有效增强了QD之间的电荷传输并实现高质量QD薄膜制备。最终，杂化FAPbI₃ QD太阳能电池达到了接近15%纪录效率，并展现出了良好的器件空气稳定性。基于相同策略，全无机CsPbI₃ QD太阳能电池实现了接近16%的光电转换效率。

图1. (a) FAPbI₃ QD太阳能电池的示意图和横截面SEM图像，(b) 对照和FASCN-SRM处理的FAPbI₃ QD器件的J-V曲线及 (c) 效率分布直方图，(d) 性能最佳器件的EQE曲线，（e) 报道的FAPbI₃ QD太阳能电池的PCE和电压损失统计图，(f) 未封装FAPbI₃ QD电池的长期稳定性，(g) 对照和FASCN-SRM处理的CsPbI₃ QD太阳能电池的J-V曲线。

图2. (a) 分别为原始、对照和FASCN-SRM处理的FAPbI₃ QD薄膜的FTIR光谱，(b) 对照和FASCN-SRM处理的QD薄膜的N-K边X射线吸收光谱。(c) FASCN SRM处理前后FAPbI₃ QD表面化学环境变化示意图。

这一成果近期发表在Angew. Chem.上，文章的第一作者是苏州大学博士研究生张旭良。

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）：

Ligand-Assisted Coupling Manipulation for Efficient and Stable FAPbI₃ Colloidal Quantum Dot Solar Cells

Xuliang Zhang, Hehe Huang, Lujie Jin, Chao Wen, Qian Zhao, Chenyu Zhao, Junjun Guo, Chen Cheng, Hongshuai Wang, Liang Zhang, Youyong Li, Yin Maung Maung, Jianyu Yuan, Wanli Ma

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202214241

导师介绍

马万里，苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)教授，博士生导师。

http://funsom.suda.edu.cn/7f/97/c2735a32663/page.htm 

https://www.x-mol.com/groups/ma_wanli 

袁建宇，苏州大学功能纳米与软物质实验室(FUNSOM)教授，博士生导师。

http://funsom.suda.edu.cn/b6/f4/c4746a46836/page.htm