近日，國際著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)在線發表了華中科技大學光電信息學院張建兵副教授團隊題為“Cation-Exchange Synthesis of Highly Monodisperse PbS Quantum Dots from ZnS Nanorods for Efficient Infrared Solar Cells”的研究成果。博士研究生夏勇為論文的第一作者，張建兵副教授為論文的通訊作者，華中科技大學為第一完成單位。
阻礙光伏器件性能提升的一個重要因素是低於光伏材料帶隙的低能紅外光子沒有被充分利用，大尺寸窄帶隙PbS量子點被視為理想的紅外光伏材料。然而，當尺寸增加(帶隙減小)時，PbS量子點對空氣的敏感性顯著增加，容易引入新的缺陷態。因此，研究者們通常採用陽離子交換方法來合成具有原位鹵素離子鈍化的PbS量子點。但是，這種方法合成出的PbS量子點尺寸分佈不佳(尤其大尺寸)，影響載流子的遷移。
為了解決這一問題，張建兵副教授團隊首次採用ZnS納米棒到PbS量子點的陽離子交換方案，其基本思想是依靠由棒到點轉變過程中因部分溶解而釋放的S來維持一定的過飽和度，促進量子點的生長並且維持較好的尺寸分佈。系統改變合成參數，在尺寸分佈的均勻性、尺寸可控性、重複性以及宏量製備等方面對陽離子交換合成進行優化。通過捕獲反應和生長的中間態，研究了從棒到點的形貌轉變過程和機理以及量子點的生長控制機制。其中反應過程中從棒到點不同時間的形貌演變過程如下圖透射電子顯微鏡所示。這種從棒到點的陽離子交換合成出的PbS量子點除了具有極好的尺寸分佈外，表面還具有鹵素Cl-離子鈍化，實現了較好的表面缺陷態控制。基於這種方案合成的高質量大尺寸窄帶隙PbS量子點，最終獲得了效率世界領先的帶隙為0.95 eV的PbS量子點紅外太陽能電池，其結構和性能參數如下圖所示。其中，在AM 1.5下，效率高達10%(世界第一)，800nm長通濾光片下的效率為4.2%(世界第一)，1100nm長通濾光片下的效率為1.1%。
這種窄帶隙太陽能電池為進一步顯著提升各種常規電池的效率提供了新的思路。例如，可以在現有鈣鈦礦和硅電池的基礎上，顯著增加額外的能量轉換效率。
該工作得到了學院院長唐江等合作者的幫助，並獲得國家自然科學基金面上和青年項目、湖北省自然科學基金和華為橫向項目的支持。
華中科技大學新聞網
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