CdX（X=Se, Te）胶体量子点的表面改性及其在全无机太阳电池上的应用

The development of low-cost quantum dot (QD) solar cells is an effective way to alleviate the fossil energy shortage, which is a major problem facing countries of the world. However, limited by QD surface properties, the power conversion efficiency (PCE) of QD solar cells is less than 9%, far below the efficiency of traditional crystalline semiconductor solar cells, impeding the application of this technology. The project focuses on QD surface inorganic modifications, exploring their effect on how to improve the performance of QD solar cells. Specific contents include: the surface of CdX (X=Se, Te) colloidal QDs will be modified by mixed inorganic ligands or inorganic nanoshells; all-inorganic QD solar cells consisting of classical CdTe/CdSe type-II heterojunction structure will be employed to inspect the effects of QD surface modifications on improving device performance; based on theoretical modeling and experimental characterization, the QD thin-film composition, carrier concentration and mobility, inter-layer interfacial effects as well as their effects on the PCE of QD solar cells will be systematically studied. The project aims to reveal the basic principles of how QD surface inorganic modification will improve the performance of QD solar cells, and PCE of >10% is expected to be achieved. Successful completion of the project will lay the theoretical and technical basis for developing novel QD solar cells with low cost, high efficiency and stability.

化石能源短缺是世界各国面临的重大难题，低成本的量子点太阳电池是缓解该问题的有效途径。然而，受限于量子点本身的表面性质，器件的能量转换效率不足9%，远低于传统太阳电池的工作效率，成为制约该项技术推广应用的主要瓶颈。本项目拟以量子点的表面无机改性为研究重点，探索其对电池性能的改善与影响机制。具体内容包括：利用混合型无机配位体或表面无机纳米壳层修饰对CdX (X=Se,Te）胶体量子点进行表面改性；借助经典的CdTe/CdSe II型异质结组建全无机量子点太阳电池，检验以上两种表面改性对电池性能的改善效果；基于理论模拟和实验表征，系统研究薄膜组分、载流子浓度及迁移率、层间界面效应对电池转换效率的影响。本项目旨在揭示量子点的表面无机改性在改善量子点太阳电池性能方面的基本原理，该电池有望获得大于10%的能量转换效率。项目的实施期待为发展低成本、高效且稳定的新型量子点太阳电池奠定理论和技术基础。

界面接触和形貌对于太阳能电池的性能是非常重要的，它将影响光电薄膜的形成和电荷高效的传输，还可以有效地抑制电子和空穴在界面处复合。研究界面改性剂对于提高太阳能电池的性能是非常重要的。本项目结合当今最为新颖的两种薄膜太阳电池：钙钛矿太阳电池和量子点太阳电池。通过聚乙烯亚胺溶液的亲水性表界面处理，获得高的稳定的钙钛矿太阳电池的效率，并且使器件稳定性大大提升。运用化学浴法制备了高质量的金红石相二氧化钛薄膜，将其应用于钙钛矿太阳电池的电子传输层，获得了理想的光电转换效率。不仅如此，我们发现将这种低温制备的二氧化钛进行紫外臭氧处理，可以将器件效率提高到15%以上。在此基础上，在化学浴制备二氧化钛薄膜过程中，引入金属阳离子前驱体，成功制备了金属掺杂二氧化钛薄膜，掺杂剂包括：铌、钽、锡、锌、钨等，将其应用于钙钛矿太阳电池的电子传输层，进一步抑制了载流子复合、提升了载流子传输效率、并有效改善了器件的滞后效应，进一步将器件效率提升至17%以上。为了制备可产业化的大面积钙钛矿太阳电池，我们尝试在化学浴制备的二氧化钛薄膜基底上，进行钙钛矿薄膜的喷墨印刷，通过对钙钛矿打印墨汁的成分调控和界面亲疏水性能的改善，分别获得了高于18%（0.04平方毫米）和高于13%（四平方厘米）的能量转换效率。该效率是迄今为止，喷墨打印钙钛矿太阳电池的最高效率纪录。以上的研究成果表明，化学浴法制备的大面积二氧化钛薄膜和喷墨打印钙钛矿薄膜的制备工艺是一套较为高效且价格低廉的钙钛矿光电薄膜器件制备技术。在量子点太阳电池方面，引入硫族离子，钝化剩余的表面缺陷，我们利用一种混合型无机配位体对量子点进行表面改性，制备更高质量的全无机胶体量子点：改善量子点的表面导电性，完全钝化表面缺陷，保持其良好的光学性能。我们采用ITO/ZnO（60nm）/CdTe（400nm）/Au（100nm）结构，CdTe层退火温度350℃制备出最优器件，光电转化效率为2.63%，器件在空气中放置12天效率仍保持90%以上。