AEM报道: 经铯阳离子钝化的14.1％CsPbI3钙钛矿量子点太阳能电池

【背景介绍】

溶液处理的胶体量子点（CQDs）因其优良的特性而成为下一代光电技术（PVs）的候选者。在过去的十年中，无机CQDs在溶液处理太阳能电池中引起了极大的关注。由于在CQDs合成改性、表面钝化和器件制备优化方面取得成就，PbS 量子点太阳能电池继续以惊人的速度发展。虽然CsPbI₃的钙钛矿相通常需要在高温下进行复杂的退火处理来获得优异的薄膜质量，但是所有具有CsPbX₃化学计量学性质的无机钙钛矿纳米晶体或量子点由于其组成调整灵活、尺寸可调、缺陷容限高、高的相位稳定性等优点而被广泛关注。还开发了一种对CsPbI₃量子点薄膜进行甲酰胺碘化物（FAI）处理的方法，该方法可以使薄膜中的载流子迁移率增加一倍，从而提高光电流，并使量子点太阳能电池的效率达到创纪录的13.4%。通过对量子点的大量研究表明，表面配体可以调节量子点在溶液中的分散性、量子点在薄膜中的电子耦合和陷阱态的密度以及稳定性等方面的特性。因此，进一步了解CsPbI₃量子点太阳能电池制备过程中的配体交换过程以及改善量子点间的电荷传输仍然是非常重要的。

【成果简介】

近日，苏州大学的马万里教授和袁建宇副教授（共同通讯作者）团队报道了一种利用多种无机铯（Cs）盐对新型钙钛矿量子点进行表面钝化的有效方法。通过Cs盐后处理后，不仅可以填补钙钛矿表面的空位，而且可以改善量子点之间的电子耦合。实验结果表明，量子点薄膜的自由载流子寿命、扩散长度和迁移率均得到了提高，有利于制备高效太阳能电池器件的高质量导电量子点薄膜。同时，经过优化处理工艺后，短路电流密度和填充因子显著提高，CsPbI₃量子点太阳能电池的效率高可以达14.10%，该值也是目前为止文献报道的CsPbI₃钙钛矿量子点电池的效率最高值。此外，通过Cs盐后处理后，CsPbI₃量子点的表面环境被改善而具有更好的抗湿稳定性。该研究结果为高性能和低陷阱态钙钛矿量子点薄膜的设计提供理论依据。研究成果以题为“14.1% CsPbI₃Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Cesium Cation Passivation”发布在国际著名期刊Adv. Energy Mater.上。本文第一作者：凌旭峰（博士研究生）。

【图文解读】

图一、CsPbI₃量子点太阳能电池的结构和性能表征
（a）CsPbI₃量子点太阳能电池的器件架构；

（b）电池的横截面SEM图像；

（c）在反向扫描下测量有或无CsAc处理后电池的J-V曲线；

（d）EQE曲线和电池积分电流。

图二、w/wo处理后量子点薄膜的形态
（a）对照组的CsPbI₃量子点薄膜的SEM图；

（b）CsAc处理后CsPbI₃量子点薄膜的SEM图；

（c）对照组的CsPbI₃量子点薄膜在玻璃/FTO/TiO₂基板上的AFM图；

（d）CsAc处理后CsPbI₃量子点薄膜在玻璃/FTO/TiO₂基板上的AFM图。

图三、有无CsAc处理，对CsPbI₃量子点薄膜性能的影响
（a）XPS测量计算出对照组和经CsAc处理的CsPbI₃量子点薄膜中的相对元素比；

（b）电荷载流子产率（φ）与空穴和电子迁移率之和的乘积（∑）；

（c）激发波长为640 nm时量子点薄膜的自由载流子扩散长度；

（d-f）（d）对照组、（e）CsAc处理的薄膜、（f）在特定波长下的对照和CsAc处理的薄膜的TAS延迟。

图四、利用J_SC和V_OC来研究CsPbI₃量子点器件中的复合过程
（a）J_SC的光强度依赖性；

（b）V_OC测量对照组和CsAc处理的CsPbI₃量子点太阳能电池的光强度依赖性；

（c）对照组和CsAc处理的CsPbI₃量子点太阳能电池的奈奎斯特图和插入的等效电路模型用于拟合奈奎斯特图。

图五、CsPbI₃量子点薄膜沉积和CsX后处理过程以及配体去除和Cs盐后处理后的内部激子生成、电荷捕获和传输过程的示意图

【小结】

综上所述，作者报道了一种利用Cs盐后处理的简便方法来钝化CsPbI₃量子点薄膜。研究表明，利用Cs盐后处理可以填补钙钛矿表面的空位，改善量子点之间的电子耦合，有利于制备高质量的导电量子点薄膜。经过不同Cs盐处理的CsPbI₃量子点太阳能电池的PCE均优于对照装置的PCE。由于Cs盐处理后，CsPbI₃量子点薄膜的自由载流子迁移率、寿命和扩散长度均被提高，使得其短路电流密度和填充因子也被显著提高。更重要的是，由于这些量子点的结构稳定，经Cs盐处理的CsPbI₃量子点器件具有更好的抗湿稳定性。这些研究结果将为未来高性能钙钛矿量子点薄膜的光电性能提供了基础。

文献链接：14.1% CsPbI₃Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Cesium Cation Passivation（Adv. Energy Mater.2019, DOI: 10.1002/aenm.201900721）

通讯作者简介

马万里：苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)教授，博士生导师。 2006年获美国加州大学圣芭芭拉分校理学博士学位（导师为2000年诺贝尔奖获得者Alan J. Heeger教授），2006-2009年在美国加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究（合作导师为美国科学院院士、纳米领域先驱A. Paul Alivisatos教授）。2011年入选首批“青年千人计划”，2012年入选首批NSFC “优秀青年基金”。2011年入选江苏省“高层次创新创业人才引进计划”。2012年苏州市紧缺人才，苏州高层次海外领军人才。

从2010年组建团队至今，专注于新型溶液法制程的新型太阳能电池（基于有机聚合物、无机纳米晶、钙钛矿材料）研究。在Nat. Mater., Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Phy. Rev. Lett., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等国际重要刊物上发表论文110余篇，授权发明专利近10项。论文总引用次数超16,000次，单篇论文最高引用超过5,000次。2014-2017年连续三年入选中国高引用学者榜单。担任Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Nano Lett.,等著名国际期刊的审稿人和仲裁。作为首席科学家主持国家高技术研究发展计划（863计划）；国家重点研发计划项目子课题负责人；主持国家自然科学基金面上项目；主持江苏省自然科学基金面上项目。团队目前共有成员23人，其中包括教授1名，副教授2名，博士后2名，博士研究生4名，硕士研究生14名。

袁建宇：苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)副教授，硕士生导师，苏州大学优秀青年学者。2016年获国家公派美国加州大学圣芭芭拉分校联合培养博士研究生（国内导师马万里教授、国外导师Guillermo C. Bazan教授）。2016年9月博士毕业后留校任教，在马万里教授团队从事全聚合物有机太阳能电池和钙钛矿量子点太阳能电池的研究。在Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, Chem. Mater.等国际期刊发表论文近80篇，其中第一/通讯作者发表论文45篇，被引用2000次，H-index因子为25，已授权中国发明专利6项。荣获中国青少年滚球体育 创新奖，挑战杯大学生课外学术作品竞赛全国一等奖，江苏省百篇优秀博士论文等国家级和省级荣誉称号。主持和参与多个国家自然科学基金和江苏省自然科学基金科研基金项目。

作者致谢：

本工作的TRMC测试由美国国家可再生能源实验室（NREL）的Bryon W. Larson博士和Qian Zhao完成，本工作也得到了美国国家可再生能源实验室（NREL）的Joseph M. Luther教授的指导和帮助，本工作的超快吸收光谱由河南师范大学秦朝朝博士提供测试。本工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、“111”计划、苏州纳米科学技术协同创新中心及江苏高校优势学科建设工程项目的支持。

本文由CQR编译。

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