近日，CellPress旗下知名期刊《Joule》在線發表了北京航空航天大學材料科學與工程學院張曉亮教授課題組在鈣鈦礦量子點太陽能電池方面取得的最新研究進展：“Tailoring Solvent-Mediated Ligand Exchange for CsPbI3Perovskite Quantum Dots Solar Cells with Efficiency Exceeding 16.5%”。材料學院2019級博士生賈東霖為文章第一作者，張曉亮教授為唯一通訊作者。
 

無機銫鉛碘（CsPbI3）鈣鈦礦材料由于不含揮發性有機組分，是有應用前景的光伏材料。通過使用表面配體限制晶體生長，將其制備成納米尺度的量子點是得到穩定CsPbI3鈣鈦礦結構的有效途徑之一。為實現較好的電荷輸運效果，將量子點制備成固體薄膜后，使用外源短配體替換原始長鏈配體是一種高效且可行的途徑。在傳統的配體取代過程中，由原始配體和外源配體與量子點表面結合能差異主導的配體交換過程難以控制，并且由于配體在傳統的量子點反溶劑中的低溶解度使配體交換效果通常不佳，導致材料表面存留大量長鏈絕緣配體。因此，在保證量子點結構穩定的前提下，更充分取代其表面原始絕緣配體是高性能太陽能電池研究中亟待解決的難題。

 

為了解決這一難題，張曉亮教授課題組另辟蹊徑，通過優化外源配體溶劑，將配體交換反應從被“配體自身單獨控制”轉移到了由“溶劑介導配體控制”，使配體交換過程達到了能夠被“充分駕馭”的效果。經過“溶劑介導配體交換”后，CsPbI3量子點薄膜的缺陷密度、載流子遷移率、光電性能和穩定性等均得到了顯著改善。最終，制備出了光電能量轉換效率高達16.53%的量子點太陽能電池器件，此效率為無機量子點太陽能電池的最高值。此外，將該策略擴展到其它配體后，相應的太陽能電池均獲得了優異的光電轉換性能。
 

該研究為調控量子點表面化學特性提供了一個通用且可行的全新平臺，為實現新一代高性能量子點光電器件奠定了堅實的基礎。

 

“溶劑介導配體交換”策略設計思路：溶劑甄選原則、配體交換示意圖和CsPbI3量子點太陽能電池光電轉換性能。

 

該研究工作得到了國家自然科學基金和北航青年拔尖人才項目的資助，同時得到了北航高性能計算中心的支持。

 

來源：北京航空航天大學

 

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https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00234-3