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钙钛矿量子点QDSC太阳能光伏电池((铅硫族化合物/铅卤化物钙钛矿/和无铅量子点)
发布时间:2021-03-03     作者:wyf   分享到:

钙钛矿量子点QDSC太阳能光伏电池((铅硫族化合物/铅卤化物钙钛矿/和无铅量子点)

因其带隙可调性、易于低温墨水处理、强可见-红外吸收和潜在的多激子产生,胶体量子点太阳能电池成为第三代光伏电池的候选之一。据报道,在过去几年中,不同类型的胶体量子点太阳能电池的功率转换效率,得到了前所未有的提高,使得它们的大规模制造具有吸引力。然而,胶体量子点太阳能电池的稳定性对于工业应用来说仍然是不够的,特别是当它们在类似太阳光照的环境大气下工作时。

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集中分析了三类量子点(铅硫族化合物,铅卤化物钙钛矿,和无铅量子点),并探讨了目前对其降解机制的理解。对于每种材料,从材料科学和器件工程的角度讨论了稳定性改进的策略。提出了一种表征胶体量子点太阳能电池稳定性的方法,这有助于世界范围内的研究人员获得结果的标准化对比。

胶体量子点太阳能电池(QDSC

自从发现纳米材料在光电应用中的巨大潜力以来,就吸引了研究者的兴趣。一旦纳米晶体的尺寸小于其相应的玻尔激子半径,由于决定其物理性质的量子限制效应,这些材料被称为量子点。这些胶体量子点(QD)具有几个有用的特性:尺寸可调带隙,窄发射光谱和环境空气溶液的可加工性等。QD可以由单个原子物质(例如硅)或化合物半导体(例如CdPb硫族化物)制成。

在光伏领域,研究广泛的量子点是硫属元素铅(PbXX = SSeTe)或近的金属卤化物钙钛矿量子点。QD还广泛用于与发光有关的应用中,例如在发光二极管(LED)和荧光生物标记中。在这些应用中,通常使用所谓的核壳量子点,其中带有宽带隙半导体壳的硫属镉化物只是一个例子。[量子点也发现他们的方式进入量子点已经在固态激光器中使用过的一些其他-InAs技术,而硫化铅量子点-作为CO 2的催化剂。[量子点的独特表面特性甚至已经成为他们自己的研究领域。由于尺寸小,QD中的原子百分比很高,位于表面,对于2 nm QD约为25%,仅举一个例子。[  QD表面通常被称为配体的钝化分子覆盖,该分子可能属于各种类别-有机或无机,单齿或双齿,单原子或长链;这些配体可用于根据需要对QD进行功能化,具体取决于其所需的用途(图 1)。)不管终应用是什么,QD都必须具有一个共同的特征:长期稳定性,因为上述所有应用都依赖于稳定的QD,在佳情况下其寿命应超过数年。这种长期稳定性的动机本质上可能是经济上的,例如商业规模的太阳能电池或发光二极管(LED)。对于生物应用而言,稳定性甚至更为重要,因为降解可能意味着产生对生物体有害的有毒副产物。

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在太阳能电池应用中发现的几种QD材料的草图摘要。它们的光电特性通过核心尺寸/组成和表面配体钝化来调节。在左下方的面板中,EDTOA代表1,2-乙二硫醇和油酸配体,它们在太阳能电池应用中非常常见。在后一个面板中,显示了QD降解的三种典型途径。

重点关注胶体量子点太阳能电池(QDSC)的稳定性。据近报道,这项新兴的光伏技术已被研究了十多年,并迅速达到了高功率转换效率(PCE),例如PbS14%或钙钛矿QDSC16.6%。

尽管QDSCPCE一直在稳定增长,但与工业标准相比,设备的稳定性仍处于较低端。在许多出版物中,在避免正常应用中通常存在的应力因素的环境中测试了制造的太阳能电池的寿命。重要的是,许多出版物使用稍微不同的方法来确定细胞的稳定性,这使得不同研究之间的直接比较变得复杂。

在过去的几年中,为使QDSC更加稳定,已经取得了许多进步,并将在以下各节中从材料科学和器件工程的角度来讨论这些问题。几种主要的QD材料将分别介绍:硫族化物铅QD,卤化钙钛矿铅QD和无铅QD

2个硫族化物铅量子点

硫族酸铅是一种通用的半导体材料,就已用于光电设备中,近又被用作第三代太阳能电池的组件。

由硫化铅,硒化物和碲化物(PbXPbSPbSePbTe)制成的QD具有使其特别可用作光伏光收集器的特性。由于它们的大玻尔半径和强大的量子约束效应, PbX QD具有广泛的点间波函数重叠,导致卓越的电子耦合。

他们基于解决方案的综合成本相对较低且可扩展,可以进行修改以产生具有一系列所需带隙的QD。尽管这类材料在光伏应用中具有很高的潜力,但它们在环境条件下降解的趋势提出了重大挑战。

我们将讨论活动QD层和其他组成层中PbX QD退化的原因。然后,将提出一些提高PbX稳定性的常用策略。

在三种硫属硫化物铅中,硫化铅(PbS)已被研究多,并在光伏应用中得到了成功的利用。像PbSePbTe一样,它具有岩石盐立方晶体结构。PbS的体带隙为0.4 eV,可通过将QD直径减小到1.8 nm来增加至2.3 e1950年代以来,已将PbS块状晶体用作红外探测器的常用传感器材料。

这种材料用于QDSC的历史可以追溯到2000年代初,这是McDonald等人的开创性工作。他们将它们合并到溶液处理的光伏中。

此后,硫化铅QDSCs的性能已经稳步上升至14%的新记录在PCE 2020 合成量子点的PbS常见的方法是所谓的热注入的合成,涉及将双(三甲基甲硅烷基)硫化物注入氧化铅(PbO)和油酸的溶液中,导致硫化铅纳米晶体被油酸盐配体覆盖。

硒化铅和碲化物是QDSC材料的另外两个很好的选择。实际上,在光伏应用的背景下,它们的某些特性使其有可能优于PbS。例如,与PbS相比,它们的激子玻尔半径更大(PbS18 nmPbSe ]46 nmPbTe 为和150 nm150 nm ),从而增加了电子耦合,并提供了多个电子生成(MEG)。[在碲化铅太阳能电池中,已经证明了通过MEG的外部量子效率超过100%。尽管PbSePbTe有望实现,但是与PbS相比,它们在氧化降解中的抵抗力要低得多,因此阻碍了它们在光伏电池中的使用。这种较高的氧化敏感性是由于与硫相比,硒和碲的电负性降低。

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