金属卤化物钙钛矿材料具有高载流子迁移率、大消光系数、可调节带隙和低成本溶液制备工艺等优点，在光伏领域发展迅速，掀起了研究热潮。近年来，全无机钙钛矿CsPbX3（X = I，Br，Cl）因具有良好的热稳定性，适于制备高效叠层太阳能电池，引起了很大关注。其中，具有黑相结构的CsPbI3拥有较窄带隙（1.73 eV）和优异光电性能，适于制备太阳能电池。然而，Cs的离子半径过小，难以形成稳定的黑相结构，容易导致钙钛矿发生相变，形成光电性能很差的黄相。化学合成量子点的方法是稳定CsPbI3黑相的有效途径之一。这是因为量子点表面能高，结合表面有机配体可以提高相变势垒，进而稳定其晶体结构。而且，基于量子点的多激子效应可以进一步提高太阳能电池的光电转换效率。目前，CsPbI3量子点薄膜主要采用旋涂工艺制备，这种工艺无法实现大面积量子点太阳能电池的规模化制备。与旋涂相比，喷涂技术是一种廉价、高效的涂层和薄膜的规模化制备技术。但是，量子点溶液中具有大量有机配体，喷涂技术无法实现高电荷传输和致密的量子点薄膜，难以获得高效率的量子点太阳能电池。然而，如果去除量子点表面有机配体又会发生相变。
北京科技大学田建军教授（点击查看介绍）课题组针对现有喷涂工艺进行改进，开发出一种逐层超薄量子点沉积与配体清洗工艺相结合的技术（UFP）。这种技术可以最大限度地减少量子点薄膜中有机物配体的残留，改善薄膜的致密性与电荷传输性能，最终获得适于制备高效率太阳能电池的量子点薄膜。CsPbI3量子点太阳能电池光电转换效率由传统喷涂技术的0.96%，提高到UFP技术的8%以上。为了进一步提升太阳能电池的转换效率和稳定性，通过量子点表面配体交换方法，以短链配体PTABr替代部分长链配体（如：油胺、油酸）。这不仅钝化了量子点表面缺陷，提高了太阳能电池工作稳定性；而且由于量子点间距离减少，还能提升量子点薄膜的载流子迁移率和电荷收集效率。配体交换后的量子点太阳能电池，光电转换效率达到11.2%，且未封装样品在20%湿度下储存30天仍能保持最初80%的转换效率。
图1. UFP喷涂工艺示意图、喷涂薄膜表征和太阳能电池结构与性能
图2. PTABr配体交换机理以及PTABr-CsPbI3 量子点的光电性质
图3. PTABr-CsPbI3 量子点太阳能电池光伏性能及稳定性
这篇文章针对喷涂工艺制备量子点薄膜及太阳能电池存在的问题，开发了一种逐层超薄量子点沉积与配体清洗技术 (UFP)，显著改善了量子点薄膜的质量与电荷传输性能，进而提高钙钛矿量子点太阳能电池的光电转换效率。配合PTABr配体交换，不仅钝化了量子点表面缺陷，进一步提高太阳能电池的性能，器件的稳定性也得以增强。该研究为量子点薄膜及光电器件的规模化制备提供了一种新的方法和途径。
该研究结果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者为北京科技大学博士生袁吉峰。
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Spray‐Coated Colloidal Perovskite Quantum Dot Films for Highly Efficient Solar Cells
Jifeng Yuan, Chenghao Bi, Shixun Wang, Ruiqi Guo, Ting Shen, Linxing Zhang, and Jianjun Tian.
Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201906615
导师介绍
田建军
https://www.x-mol.com/university/faculty/68981
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