无机钙钛矿量子点-硅复合结构中的非辐射能量传递过程及其器件应用探索

Inorganic caesium lead halide perovskite quantum dots (CsPbX3 QDs) materials have a promising perspective of semiconductor optoelectronic device application, since they have high optical absorption coefficient as well as the controllable and high intensity photoluminescence. Based on the fact that photoluminesence lifetime of CsPbX3 QDs changing with different substrates, this project will study the mechanism of the nonradiative energy transfer (NRET) process in CsPbX3-Si hybrid structures. Then the dependence of structural parameters on the NRET quantum yield will be studied and the optimized high quantum yield of NRET process in CsPbX3-Si hybrid structures will be obtained. Furthermore, the NRET process will be applied in CsPbX3-Si hybrid solar cells. Utilizing the CsPbX3-Si hybrid structures, enhanced performances of photovoltaic devices will be observed, which can be attributed to the increasing carrier collection efficiency via NRET process. The implementation of this project will speed up the research on perovskite lead halide semiconductors applied on advanced optoelectronic devices, and has scientific significance and application potential.

无机钙钛矿量子点材料由于具有光学吸收系数大、光致发光强度高、以及发光波长可控等优异特性，在半导体光电子器件的研究方面显示出良好的应用前景。本项目选用全无机钙钛矿半导体(CsPbX3)胶体量子点材料，基于所发现的量子点薄膜荧光寿命随衬底改变而变化的实验现象，探究CsPbX3-Si复合结构中的非辐射能量传递(NRET)过程的物理机制；建立CsPbX3-Si复合结构中的NRET过程量子产率与结构参数的依赖关系，通过调控和优化获得高量子产率的NRET过程；进而探索NRET过程在复合结构光伏器件中的应用，利用NRET过程提高太阳能电池光生载流子的收集效率，进而提高器件性能。该项目的实施将进一步推动钙钛矿材料在新型光电子器件中的应用研究，具有重要科学意义和应用前景。

本项目选用全无机钙钛矿半导体(CsPbX3)量子点材料，探究CsPbX3-Si复合结构中的非辐射能量传递(NRET)过程的物理机制；建立复合结构载流子荧光寿命与结构参数的依赖关系，通过调控和优化获得高量子产率的NRET过程；进而设计并制备基于CsPbX3-Si复合结构的太阳能电池原型器件，利用NRET过程提高太阳能电池光生载流子的收集效率，进而提高硅基光伏器件的光电转换效率。项目取得了以下研究成果：1. 利用高温热注入的方法制备了结晶度高、尺寸均一的全无机钙钛矿量子点(CsPbX3，X=Cl，Br，I)，通过改变反应物比例、反应温度和时间等参数，实现了光致发光(PL)波长从400 nm到685 nm范围的调控。2. 选择温度与时间稳定性最好的CsPbBr3量子点，利用旋涂的方法在石英和单晶硅衬底上获得了厚度可控、均匀致密的CsPbBr3量子点薄膜。利用时间分辨荧光光谱的测试分析载流子跃迁与复合机制。结果显示，相比于石英衬底旋涂的CsPbBr3量子点薄膜，单晶硅衬底上的量子点的荧光寿命从25.91 ns减小到4.24 ns，从实验上说明了CsPbBr3-Si复合结构中存在着快态的NRET过程。3. 引入氧化铝作为CsPbBr3量子点和硅衬底之间的间隔层，理论计算了CsPbX3-Si复合结构中的载流子荧光寿命与量子点尺寸、发光波长、间隔层厚度、衬底折射率等结构参数的依赖关系；实验测试结果与理论计算结果吻合较好。4. 定义NRET过程的量子产率(QY)，结合理论计算结果，通过参数调控，对于CsPbBr3-Si复合结构，QY最高达到86.8%。5. 提出了CsPbBr3量子点-Si纳米线(CsPbBr3-Si NWs)复合结构，通过结构参数优化，复合结构的NRET过程QY最高达到82.8%。进一步设计并制备Al/SiNWs@Al2O3/CsPbBr3 QDs/Spiro-OMeTAD/Ag肖特基结太阳能电池原型器件，利用CsPbBr3-Si NWs复合结构中的NRET过程，有效减少载流子穿过界面时由于缺陷态俘获效应造成的电荷损失，提高光生载流子的收集效率。相比于未加入CsPbBr3量子点的结构，太阳能电池的短路电流密度从25.90 mA/cm2增大到30.21 mA/cm2，光电转换效率从7.26%增加到7.93%。共发表SCI论文6篇，申请国家发明专利3项。