基于n型PbS量子点薄膜的太阳能电池研究

Colloidal quantum dots (CQDs) solar cell not only has the potential to break the 33% Shokleyy-Queisser efficiency limit for single junction solar cells thanks to multiple exciton generation effect, but also enables high-throughput, low-cost roll-by-roll manufacturing from solution process. Consequently, CQD solar cells are the frontier and hot topic of next generation solar cell research. CQD solar cells, rely exclusively on p-type CQD film so far, have seen rapid research progress since its first report in 2005 and have obtained an external quantum efficiency of 114% and a certified photon-to-electron energy conversion efficiency of 5.1%. Here we proposed to develop new strategies to build high quality p-type PbS CQD film and p-type Cu2S and SnS film. This, in combination with the high carrier mobility, low doping density n-type PbS CQD films first developed by myself, will lead to a new class of CQD solar cells: p-PbS/n-PbS homojunction solar cells and p-Cu2S/n-PbS, p-SnS/n-PbS heterojunction solar cells. We expect a heterojunction CQD solar cell with 9% efficiency, an international advanced level,through systematic material and device optimization.

量子点太阳能电池既具有多激子效应能突破单结太阳能电池33% 的Shokley-Queisser理论极限，又能溶液成膜实现卷到卷连续低成本生产，是新一代太阳能电池研究的前沿和热点。自2005年首次报道以来，基于p型量子点薄膜的量子点太阳能电池已经获得外量子效率114%，外部认证5.1%光电转换效率的器件，发展非常迅速。本项目拟利用本人首次得到的高载流子迁移率、低掺杂浓度的n型PbS量子点薄膜，发展高质量的p型PbS量子点、p型Cu2S 和SnS薄膜制备方法，复合构建新型的p-PbS/n-PbS 同质结和p-Cu2S/n-PbS、p-SnS/n-PbS 异质结量子点太阳能电池。预期通过材料合成和器件制作的系统优化，得到光电转换效率为9%的异质结量子点太阳能电池，达到国际先进水平。

PbS量子点太阳能电池既具有多激子效应有希望突破单结太阳能电池理论极限，又能溶液成膜实现低成本生产，是有潜力的新一代太阳能电池。本面上项目的主要目标是：开展10g级别高质量PbS量子点的合成，构建p型PbS量子点/n型PbS量子点同质结太阳能电池，实现光电转换效率达9%的PbS量子点异质结太阳能电池。在国家自然科学基金的资助下，申请人完成了此面上项目，具体进展如下：i) 通过将投料量放大30倍，并调整合成工艺，实现了单批次12g级别的PbS量子点合成，激子吸收峰在800-1000nm可调且尺寸分布窄；ii) 通过碘离子（I-）钝化并在惰性气氛下成膜，获得了稳定的n型PbS量子点薄膜，再与氢氧化四甲基胺处理的p型PbS量子点复合，通过膜厚和界面优化，实现了PbS量子点同质结太阳能电池，获得了Newport认证的5.4%的电池效率；iii) 通过Mg掺杂形成宽禁带的Zn0.9Mg0.1O缓冲层作为电子收集层，碘化四甲基胺处理处理的n型PbS量子点作为吸光层，乙二硫醇处理的p型PbS量子点作为空穴收集层，并将石墨烯引入到吸光层以提高载流子迁移率和收集效率，获得的光电转换效率达9.0%的PbS量子点异质结太阳能电池。在完成项目目标同时，在基金的支持下还拓展了PbS量子点薄膜的应用，取得的主要成果有：i) 利用PbS量子点红外吸光和低温成膜特性，制备出归一化比探测率达到1E12 Jones的柔性光电探测器，并构建出能对波长区分响应的SnS2/PbS量子点复合光电探测器；ii) 利用PbS量子点比表面积特别大、表面缺陷多且灵活可调的优势，发展出室温下对SO2，H2S等气体响应速度快、灵敏度高、选择性好的新型气体探测器，为调控半导体气体传感器选择性和改善稳定性开拓了新的机制和方法。总共发表相关学术论文16篇，其中本人为第一或者通讯作者文章13篇，包括5篇IF>10的期刊论文，授权中国专利1项，培养或者联合培养了3位博士，组织国际学术会议1次，受邀在国内外做相关学术报告12次，较好的完成了此面上项目。