量子点钙钛矿复合材料的开发及其在光电转换器件中的应用

Nanotechnology focus on the study of the properties and application of substance under size of 100 nm. Colloidal quantum dots (CQDs) is one of the representative nanomaterials that aroused great interest in the last decades. In this project, we proposed a new CQD/perovsktie composite material that leverage in-situ epitaxy growth of perovskite to passivate CQD surface in film. Based on this composite material, we will build CQD/perovskite bulk heterojunction solar cells, as well as electroluminescence device by employing perovskite as a matrix to inject carriers into CQDs. The development of CQD/perovskite composite material will improve the understanding of the relation between the composition of CQD surface and its properties, accelerate the development of high performance optoelectronic devices based on nanomaterials.

纳米技术是针对尺寸在100nm以下的物质的化学物理性质以及应用进行的研究。胶体量子点是纳米技术的代表性材料和研究热点之一。在本项目中，我们设计了一种新型的量子点钙钛矿复合材料，通过有机无机杂化钙钛矿外延生长的方法来在成膜之后原位钝化量子点表面，在此基础上，开发量子点钙钛矿复合材料来构建新型的光电器件结构，如量子点钙钛矿体质结太阳能电池，以及利用钙钛矿作为高载流子迁移率骨架材料的电致发光器件。量子点钙钛矿复合材料的开发将加深我们对纳米材料界表面的组成和其性质之间的联系的理解，对于提高基于纳米材料的光电器件具有很大的促进作用。

本项目主要围绕高效低成本光电材料与器件的开发进行研究，针对胶体量子点和钙钛矿材料普遍存在的电子输运和稳定性问题展开。在承担此项目期间，按照项目的规划，课题组在量子点、钙钛矿、以及量子点钙钛矿复合材料及光电器件方向取得了一系列重要的进展。制备了全量子点体系的上转换红外探测器，通过在氧化锌电子传输层中掺入银纳米颗粒，光照下银纳米颗粒积累电荷后发生能带弯曲，降低势垒区厚度，造成载流子的隧穿，从而大幅提高了量子点红外探测器的增益，实现了6.5%的外量子效率，这是目前上转换红外探测器在1500 nm波长左右的最高值，对高性能量子点红外探测器的开发具有重要意义；设计和制备了基于氧化镍空穴传输层的高效率反式结构量子点太阳能电池，通过扩大耗尽层长度和降低界面载流子复合，实现了最高效率的反式结构量子点太阳能电池（9.5%），高效反式结构量子点太阳能电池的开发对基于量子点太阳能电池的叠层电池的开发有一定意义。为了提高钙钛矿结构的稳定性和光电性质，采用表面分子修饰的方法降低钙钛矿和水氧的接触，提高了钙钛矿结构的稳定性，通过共混分子的方法提高了钙钛矿结构的刚性，降低了缺陷密度，大幅提高了反式结构钙钛矿太阳能电池的效率，认证效率达到20.9%，是基于氧化镍反式结构钙钛矿太阳能电池的最大值，这个工作阐明了钙钛矿结构和器件性能之间的联系，对后续高性能器件的开发具有指导作用；设计合成PbS量子点与MAPbI3钙钛矿纳米线复合材料，并将其应用于红外和可见光探测器。