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Nano Res.[能源]│宁波材料所向超宇团队揭示硫化铅量子点太阳能电池光不稳定的原因及解决方案

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背景介绍


大力发展太阳能电池是实现“碳达峰、碳中和”目标的有效途径之一。制备高效率、高稳定以及低成本的太阳能电池一直是科技工作者的研究目标。由于太阳能光谱覆盖范围较宽,尤其是在红外波段,因此发展红外量子点光电材料,充分利用太阳能光,是实现高效率太阳能电池的有效途径。硫化铅量子点因其具有量子限域效应,其带隙可调范围大(0.7eV-2.1eV),同时其对近红外光的吸光系数高、响应范围宽;巨大的比表面积使其掺杂类型和掺杂浓度可调控性强等,特别是其具备独特的多激子效应,使得其单节太阳能电池打破S-Q效率极限,其光电转化效率高达45%。目前的研究多从量子点合成、配体交换以及器件结构的层面来不断提升其光电转换效率。然而对于同样重要的运行稳定性的研究还存在不足。


成果简介


针对硫化铅量子点太阳能电池存在运行稳定性差的现象。首先探究不稳定性的内在原因,通过X射线和紫外光电子能谱的测试表征结果分析得出,在光照下,空穴传输(PbS-EDT)量子点表面的1,2-乙二硫醇(EDT)配体会与活性层(PbS-PbX2)量子点表面的卤化铅(PbX2)配体发生了有害反应。这种反应不仅减弱了活性层的n型特性,同时还会增加PbS-PbX2薄膜中的缺陷的数量,最终导致器件性能严重下降。为了避免这一有害反应的发生,引入了界面层至于活性层与空穴传输层之间来阻止EDT与PbX2发生反应,从而显著提高了器件在光照射下的稳定性。另外,由于界面层的能级更加匹配,能够进一步增强载流子的分离能力。最终相比于没有界面层的器件来说,含有界面层的硫化铅量子点电池器件的光电转换效率达到12.55%,并具有更长时间的光照运行稳定性。


图文导读


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图1.硫化铅量子点太阳能电池存在光不稳定性以及猜想的原因


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图2.光不稳定性原因验证和卤化铅与乙二硫醇在光照下反应对硫化铅量子点薄膜性能的影响


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图3.有机物与量子点混合的界面层置于光敏层与空穴传输层之间有效阻断有害反应的发生,提升器件的稳定性和光电转换效率


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图4.硫化铅量子点太阳能电池器件各层的能级位置和有无界面层时器件的电学性能


作者简介


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第一作者:武春艳,2020年获得中国科学技术大学博士学位,2020年至今在中国科学院宁波材料所从事博士后和助理研究员工作。主要从事硒硫化锑、硫化铅量子点以及钙钛矿量子点材料制备与太阳能电池光电性能和光电探测器的研究。在Journal of Materials Chemistry A, Solar RRL, ACS Applied Materials & Interfaces, Science Bulletin等知名杂志上发表学术论文多篇。


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通讯作者:向超宇研究员,2014年获得美国佛罗里达大学材料科学博士。在新型发光器件,特别是有机半导体发光二极管和量子点发光二极管等方面有着10年的研发经验。在器件机理,发光效率,工作寿命等研究领域取得过显著的成果。相关进展以第一作者或者通讯作者身份在Nature Photonics, Nature Communication,Light: Scince&Application, AdvancedFunctional Material, Small 等著名杂志期刊上发表论文多篇。2019年入职中科院宁波材料所担任研究员,主要的研究方向为制备具有高效率、长寿命的半导体量子点发光二极管,并且通过可量产化的器件工艺制备大面积的发光器件。同时在钙钛矿、硫化铅及金属氧化物等光电材料的制备并将它们应用到发光二极管、太阳能电池、探测器以及电致变色等光电器件上开展了大量的科学研究。


文章信息


Wu C, Yang J, Ding S, et al. Revealing the origin of the photo-instability to improve the performance of PbS quantum dot solar. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6462-3.



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