石墨烯量子点异质结光伏器件的理性构筑及界面结构调控

Slow electron hole separation kinetics as well as surface-defect controlled carrier recombination is the main cause of low efficiency of quantum dot sensitized solar cells. To solve this problem, in the project, graphene quantum dots (GQDs) and II-VI alloy quantum dots are assembled into class II heterojunctions to drive superfast electron hole separation dynamics. Meanwhile, ultrashort ligands enriched at edges of GQDs are used to passivate inorganic quantum dot surface defects, and set up the excellent electric contact on the atomic scale. Therefore, edge-functionalized GQDs with thiol, sulfon and halogen groups are prepared using the molecular fusion method; they are assembled with alloy quantum dots to form II-type heterojunctions with core-shell and sandwich structures to co-sensitize photoanodes and drive superfast carrier separation dynamics, and thus to break through the low-efficiency bottleneck of quantum dot photovoltaic devices. At the same time, the band structures, functional groups and surface features of GQDs are used to solve the quick failure problem of perovskite photovoltaic devices. That is, hydrophobic GQDs are used to construct the waterproof layer of the thin film, and thiol- and sulfon-functionalized quantum dots are applied as the electronic transport layer and hole transport layer. Through the rational construction of GQD heterojunctions, it is expected to promote the photovoltaic device to the direction of high efficiency, long life and low cost.

慢的电子空穴分离动力学以及表面缺陷主导的载流子复合是导致量子点敏化太阳能电池效率低的主因。针对这问题，本项目用高导电性的石墨烯量子点与II-VI族合金量子点组成II类异质结，驱动超快的电子空穴分离动力学；并利用石墨烯量子点边位上丰富的超短配体，钝化无机量子点表面，并建立原子尺度上的电接触。为此，采用分子融合法制备三种特殊边位功能化（巯基、磺酸基及卤素）的石墨烯量子点为组装单元，与合金量子点组成芯壳、三明治型的II类异质结，实现对光阳极的共敏化和超快的载流子分离动力学，突破量子点光伏器件低效率瓶颈。同时，利用石墨烯量子点的能带结构、官能团以及表面特性，协同解决钙钛矿光伏器件快速失效问题，即用疏水性量子点构筑钙钛矿薄膜的防水层，并用巯基和磺酸基量子点应用于电子传输层和空穴传输层。通过理性构筑石墨烯量子点异质结，并应用于光伏器件的界面调控，有望促进光伏器件向高效率、长寿命、低成本的方向发展。

石墨烯量子点具有石墨烯的高效电子转移特性、高稳定性、高比表面积、易功能化、环境友好等优点，又结合了传统半导体量子点的电子结构和光物理的可调性和增强的光活性，不仅在生物成像、传感中被广泛应用，而且在光电转换器件中扮演着重要角色。一方面，石墨烯量子点的光学性质调控依然是限制其应用的关键问题。为此，本项目发展了一步分子融合法，实现了石墨烯量子点的全色荧光调控，成功地将光吸收和荧光红移至近红外区域，并通过内置p-n结实现了对荧光寿命从纳秒到微秒的调控。另一方面，制约量子点光电器件应用的共性问题是表界面能级控制的载流子复合速率及传输效率。为此，本项目针对这个共性问题构建多种类型的量子点异质结，并利用量子点能带结构可调特性，构筑超快动力学过程需要的界面电子能带构型，解决界面能级匹配问题；利用其特殊边位官能团（原子短尺度、与金属离子结合能力强）的钝化和连接功能实现多种类型异质结界面的化学调控，解决界面缺陷钝化、不良电接触以及界面引入的不稳定性问题。除了光电性质调控之外，项目还发现氮掺杂石墨烯量子点/碳点及其异质结的多种奇异性质,包括近红外区响应光热效应、超声响应的动力效应等，揭示了构效关系，并考察了它们在传感器、组织修复和癌症治疗等领域中的应用。相关成果发表在Small（2篇）、Chemical Engineering Journal（4篇）, Carbon（7篇）、ACS Applied Materials & Interfaces（2篇）等国际著名刊物上，标注的SCI论文21篇，其中一区论文有15篇，影响因子大于或接近于10的SCI论文有15篇。另外，石墨烯表界面调控得到了三个国家自然科学基金的连续资助，项目负责人于2018年因石墨烯表界面调控的重要贡献荣获国家自然科学二等奖（第二完成人）。总之，项目在石墨烯量子点及其异质结的理性设计、精巧构筑及其理化性质调控方面所取得的进展将为构筑高效低成本量子点光伏器件提供基础支持。