离子取代调控缺陷态增强铜锌锡硫量子点敏化太阳电池性能

Cu2ZnSnS4 (CZTS) quantum-dots (QDs) is a direct band gap semiconductor material and can depress the energy losses of excited electron and extend the light absorption range of quantum dot-sensitized solar cells (QDSC). To date, the cell performances of CZTS QDSC is still limited by the poor crystallization and large amounts of substitutional defects, CuZn and ZnCu, which is mainly induced by the similar radius of Cu+ and Zn2+. In this project, we use 1-Dodecanethiol (DDT) with strong coordination ability as capping ligand to synthesize the fairly small sized CZTS QDs and improve their crystallization. The formation of substitutional defects can be effectively suppressed by introducing a certain amount of Cd2+ with larger radius to replace Zn2+. The conduction band of CZTS QDs is further increased by tuning Cu/(Zn+Sn) ratio to improve the charge injection process. The successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) method is introduced to form a CdSe shell layer at the surface of QDs. This well controlled core-shell structure is beneficial for the depressing of surface states and improving the band alignment at TiO2/QDs interface. The cooperative effect of defects tuning and better band alignment will significantly improve cell performances and their influences on exciton splitting, carrier transport and recombination processes are further discussed.

直接带隙的多元铜锌锡硫(CZTS)量子点(QDs)可以有效减少量子点敏化太阳电池(QDSC)电子跃迁的能量损耗并拓宽光吸收范围。但是由于Cu和Zn的离子半径和化学性质均非常相近，导致QDs内部存在大量的反位缺陷，限制了电池性能的进一步提升。本项目拟采用强配位能力的十二硫醇(DDT)为配体可控合成高质量CZTS QDs，引入离子半径较大的同族元素Cd取代部分Zn，以减少内部反位缺陷的形成；通过优化Cu/(Zn+Sn)比例，提升窄带隙CZTS QDs的导带位置，改善光生电子注入动力；采用连续离子层修饰QDs表面，通过控制壳层厚度，进一步钝化其表面缺陷，并在二氧化钛/QDs界面形成良好的能级匹配结构。基于QDs内部和表面缺陷调控的协同增效以及各功能层能级结构的优化，深入开展高效CZTS QDSC性能和机理研究，阐明缺陷态调控对光生电荷注入、电子传输及复合过程的改善机制。

铜锌锡硫(CZTS)量子点(QDs)内部存在大量的反位缺陷，且吸光范围较窄，限制了量子点敏化太阳电池(QDSSC)性能的进一步提升。本项目采用强配位能力的十二硫醇(DDT)为配体可控合成高质量宽光谱CZTSe QDs，并分别引入Cd取代部分Zn和Ge部分取代Sn，以减少内部反位缺陷的形成，深入开展了高效CZTSe QDSSC的性能和机理研究。研究结果表明，Ge取代在减少深能级CuSn反位缺陷的同时，可以提升窄带隙CZTSe QDs的导带位置，改善光生电子注入动力，在二氧化钛/QDs界面形成良好的能级匹配结构，而Cd取代仅对浅能级CuZn缺陷有影响。最终，基于电子注入和电荷复合过程的改善，Voc和Jsc同时得到增强，Ge取代电池获得了4.42%的器件效率。项目执行期间申请人以第一和通讯作者在Energy Environ. Sci.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、Inorg. Chem.、Solar RRL和J. Energy Chem.等国际著名期刊共发表SCI 收录论文9篇，其中包含8篇JCR一区文章，培养硕士毕业生6名。基于缺陷态调控和能级结构优化的相关研究成果，我们提出Ge取代贫铜CZTSe量子点的深入研究应成为未来宽光谱高效QDSSC器件开发的一种优先设计思路和选择方案。