胶体量子点缺陷的精细结构表征

In recent years, the application of colloidal quantum dots (CQDs) to optoelectronic devices show great promise. Surface defects is one critical factor that limit device performance. The bonding of oxygen, water or solvent molecules is one important factor that leads to the formation of traps in the bandgap. So far, there are lack of effective method that can be used to check the bonding state between CQDs and oxygen, water or solvent molecules, as well as to track the trap formation process. In this project, we propose to use X-ray absorption fine structure (XAFS) to characterize the bonding state between CQD surface atoms and oxygen atoms, and track the ligand exchange process. In combination with the characterization of the electronic structure of CQDs, we will try to clarify the relationship between CQD bonding state and traps. Based on the improvement of the understanding of trap formation mechanism, we will explore new surface engineering process, e.g. new ligands and ligand exchange process to reduce defects and improve device performance.

胶体量子点是一类新兴的光电功能材料，基于胶体量子点的光电功能器件如太阳能电池、电致发光以及光催化剂的性能在近几年取得了大幅的提高，但是器件的性能仍然受限于缺陷的影响。量子点外部原子和水分子、氧分子和溶剂分子之间的结合是缺陷形成的关键因素之一，但是目前还缺少有效的手段对量子点缺陷精细的化学结构以及形成过程进行分析。该项目将用X-射线吸收精细结构（XAFS）对量子点表面原子和配体之间的配位结构进行表征，找到量子点外部原子和水分子、氧分子、溶剂分子配位的机制。对量子点配体的交换过程用XAFS进行跟踪，阐明量子点配体和交换条件对缺陷的影响。最后结合理论计算来阐明量子点外部化学结构和其性质以及器件性能之间的关系，找到减少量子点缺陷的方法，大幅提高量子点太阳能电池和光催化体系的效率。

高效低成本溶液法制备的光电材料的开发对太阳能电池、发光器件和光催化的发展有重要意义，由于纳米材料较高的比表面积，表面结构对纳米材料的性质有关键作用，此外薄膜中的纳米结构对载流子的传输和复合有重要影响，而目前对这方面的表征还非常缺乏，因此该项目拟通过和同步辐射光源的合作来加深我们对纳米材料表面结构和薄膜中纳米结构的理解。在项目的支持下，我们与上海光源BL14W和BL16B线站紧密合作，利用上海光源的X-射线精细结构谱（XAFS）对量子点的表面精细结构和钙钛矿薄膜的纳米结构进行表征，取得了一系列重要进展。探讨了量子点表面配体的钝化机制，设计出零维-二维复合材料用于光催化，取得了较高的产氢效率，这一结果说明对可见光区光催化剂来说，控制缺陷浓度可以抑制载流子的复合，提高光催化效率，这对高效光催化剂的开发具有重要意义。这为高效光催化材料的设计和开发提供了思路，而且所用光催化材料环保无毒。制备了量子点表面全无机配体钝化的CdSe量子点，基于此制备出全无机量子点光致发光二极管，全无机配体有助于提高器件寿命。利用多氨基配体制备了高稳定的Dion-Jacobson结构钙钛矿发光二极管，实现了寿命最长的有机-无机杂化钙钛矿发光二极管器件，推动了钙钛矿发光器件的商业化进程。利用硫氢化铵做为添加剂，实现锡钙钛矿的梯度结构制备，提高了锡钙钛矿薄膜的抗氧化性和薄膜质量，取得了9.41%的太阳能光电转化效率，推动了无铅钙钛矿电池的发展。所开发的方法在高效光催化制氢、太阳能电池和电致发光领域有一定的应用前景。