硫化铅量子点太阳能电池的组装调控和界面调控

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硫化铅量子点(PbS QDs)具备强量子限域效应,多激子效应以及可溶液加工等特性,在低成本新型太阳能电池中表现出巨大的应用价值。在过去的二十年里,通过表面化学和器件工程的研究,PbS量子点太阳能电池的能量转换效率(PCE)从<1%提升到14%。尽管如此,PbS量子点太阳能电池目前还存在制备工艺复杂和器件性能偏低的问题,限制了其实际应用。本文中,我们详细研究了 PbS量子点配体交换过程中的组装行为,通过量子点形貌和溶剂调控有效地避免了配体交换过程中产生的裂缝,大幅简化了器件制备工艺;进一步地,提出利用钙钛矿量子点来改善PbS量子点电池的界面传输问题,实现了器件性能的提升。本论文的主要内容如下:第一章:PbS量子点太阳能电池介绍。简述了量子点的基本性质、不同的合成工艺以及PbS量子点太阳能电池的发展历程。第二章:量子点组装行为调控简化太阳能电池制备工艺。量子点合成过程中需要引入长链烷基配体来控制成核和生长过程,在光电器件制备过程中,这些长链配体使得量子点间相互绝缘,需要通过短链或者原子配体进行交换来增加量子点薄膜导电性。该过程中由于薄膜体积的缩小会导致裂缝的产生,需要通过增加沉积次数予以填充,这一过程使得器件制备工艺较为复杂。在本章中,我们展示了一种改进的固态配体交换方法,通过调控纳米晶的形貌再结合溶剂工程,可以有效地控制配体交换过程中纳米晶的组装行为,实现在一步沉积步骤中制备无裂纹的PbS纳米晶薄膜。这一方法同时适用于不同厚度、不同基底和不同面积的薄膜。将这种方法制备的薄膜应用于太阳能电池中,其光伏性能与已报道的最优的PbS量子点太阳能电池相当。我们的方法实现了更简单、“更环保”的器件制备方式和较低的材料成本,提供了一种简单可靠的方法来制备高质量的纳米晶薄膜,并展示出应用于实际光电器件的潜力。第三章:钙钛矿修饰PbS QDs/聚合物传输层界面实现高效太阳能电池。钙钛矿是一种新型的“软物质”,其物性介于传统无机材料和有机材料之间,可用于修饰有机/无机界面。并且铯铅碘量子点(CsPbI3 QDs)和PbS QDs是目前研究最多的两类量子点薄膜光伏电池材料,均可以通过溶液法进行沉积。我们发现CsPbI3 QDs的能级处于PbS QDs活性层和PTB7-Th有机空穴传输层之间,所形成的能级梯度可以促进空穴提取并减少界面电荷复合。同时,修饰层还在界面处产生了偶极电荷分布,从而改善了电荷收集并提高了开路电压。最终,该界面修饰层的引入可以将PbS量子点太阳能电池的光电转换效率从10.50%提升到12.32%。该工作表明了界面修饰对量子点太阳能电池性能提升的重要性,并展示了可以通过集成不同类型的可溶液加工光伏材料,设计出更加优异的光伏器件结构。
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