Ag2X(X=S,Se,Te)量子点多激子产生机理及其在聚合物/量子点杂化太阳能电池中的应用研究

Using multiple exciton generation (MEG) effect of semiconductor quantum dots to improve exciton quantum efficiency is an effective strategy to improve the photoelectric conversion efficiency of solar cells. Based on the confirmed quantum efficiency of 173% of MEG of Ag2S quantum dots (QDs), this project is aimed to set up a QDs MEG dynamics theory model with statistical theory and Fermi approach. By characterizing Ag2Se and Ag2Te QDs with spectroscopic, topographical and photoelectronic approaches, we hope to find out what will affect the MEG of QDs and how it works. We also hope to illuminate how the multiple excitons generate and recombine in conjugated polymer/QDs hybrid systems. This project will help us to achieve highly efficient conjugated polymer/QDs hybrid solar cell based on Ag2X(X=S,Se,Te) QDs. The theory and method used this project will not only provide key parameters of making highly efficient QDs solar cells and conjugated polymer/QDs solar cells, but also help to investigate the photophysical properties of coupled QDs and provide scientific support that will help to broaden applications of the QDs.

利用半导体量子点的多激子产生（MEG）效应提高激子产率是提高太阳能电池光电转换效率的有效策略。在已证实Ag2S量子点的MEG量子产率可以达到173%的基础上，本项目拟扩展Ag2Se和Ag2Te量子点为研究对象，以费米统计理论为研究方法，建立多激子动力学理论模型，通过光谱学、形貌学、光电性质等表征手段，研究Ag2X(X=S,Se,Te)量子点的MEG效率及相关影响机制，揭示其MEG效应在太阳能电池中的作用规律，阐明其在共轭聚合物/量子点杂化体系中多激子产生和复合的机理，从而推动以Ag2X量子点为光活性材料的，高效共轭聚合物/量子点杂化太阳能电池的制备。本项目研究的理论和方法不仅为制备高效量子点太阳能电池和共轭聚合物/量子点杂化太阳能电池提供关键参数，也为进一步研究耦合状态下量子点的光物理性质、拓宽其应用范围提供相关科学依据。

多激子产生（MEG）效应是一个重要的物理现象，对提高太阳能电池的光电转换效率（PCE），实现人们不断追求的第三代太阳能电池具有重要的意义。本基金项目旨在利用Ag2X (X=S, Se, Te) 量子点制备太阳能电池器件并研究MEG效应对器件性能的影响。我们首先合成了高质量的Ag2X（X=S, Se, Te）量子点。其尺寸从3 nm 到9 nm均匀分布，并对所得样品进行了UV-Vis、PL及Raman光谱分析。基于Ag2S量子点的薄膜，我们成功制备了结构为ITO/ZnO/Ag2S/P3HT/MoO3/Au的太阳能电池器件。经过配体交换和热处理，在AM1.5光照条件下，实现了0.79%的光电转换效率（Voc=0.66V, Jsc=2.3 mA/cm2, FF=0.52）。据我们所知，这是首个Ag2S量子点光伏效应的研究工作，相关论文正在修改中。我们对所制备的Ag2S量子点薄膜进行了多次瞬态吸收测试以研究其MEG效应。采用时间分辨的飞秒泵浦-探测系统，我们得到泊松分布因子为0.92，MEG量子产率计算为0.92(me/se)。我们发现，对直径4 nm的Ag2S量子点，当入射光能量大于2.79 eV时，单个入射光子可激发Ag2S量子点产生2个以上的激子，从而证明了Ag2S具有MEG效应。根据文献报道，当内量子效率（IQE）大于100%时，可以认为发生了MEG效应（Science, 2010, 330, 63-66）。但在我们的Ag2S量子点光伏器件中，MEG效应并不明显。分析原因如下：一方面，由于在光伏器件中，光生载流子的俄歇复合效应与电荷分离是竞争关系，而前者的发生时间（~30 ps）又小于光生载流子分离和传输的时间（~100 ps），因而，大部分光生载流子发生了俄歇复合，造成MEG效应被掩盖而不明显。从另一个方面，目前我们采用Ag2S量子点制备的各种光伏器件光电流密度仍然较低（<5 mA/cm2），IQE远低于100%，所以MEG效应对IQE的贡献不明显。在本基金的支持下，我们还开展了一些其他研究，如：利用Ag2S量子点制备产氢光催化剂、研究Ag2S量子点的低阶非线性光学性质，还开展了一些基于新兴有机/无机钙钛矿材料的光电器件的研究并取得了较好的结果。本研究项目的开展对进一步深化多激子产生研究具有重要的推动作用。