窄带隙(0.71 eV)硒化铅量子点墨水制备及其高效PIN太阳能电池研究

Building multi-junction cells is the most viable way to improve the photoelectric conversion efficiency (PCE) of solar cells. The theoretical PCE of triple-junction cells can reach 49%, and the preferred band gap of bottom-cell absorber is 0.71eV, which corresponds to absorption wavelength of 1750nm. However, narrow-bandgap photovoltaic materials achieving such long wavelength absorption are very limited. Lead selenide (PbSe) quantum dots (QDs) have three advantages to be excellent narrow-bandgap photovoltaic materials: continuously adjustable band gap in 0.3-2eV by particle size, multi-exciton effect which helps to break theoretical PCE limit of single-junction cells, and low-cost solution processing. Based on research foundation on lead sulfide (PbS) QD optoelectronic devices and advanced platform of Wuhan National Research Center for Optoelectronics, the applicant has realized a wide-bandgap (1.37eV) PbSe QD solar cell with a PCE of 10.9%, much higher than the world record of 8.2%. Focusing on PbSe QDs with a band gap of 0.71eV, this project will study monodisperse QD synthesis methods, efficient passivation of QD surface defects, preparation of quantum dot inks and optimization of thin films. Combining with an optimized zinc oxide (ZnO) buffer layer, narrow-bandgap PbSe QD solar cells with absorption wavelength of 1750nm are very possible to reach a PCE of 8% and 2% after silicon filter.

构建多结叠层电池是提高太阳能电池光电转换效率的最可行途径。三结叠层电池的理论效率可达49%，其优选的底电池吸光材料带隙为0.71eV，对应吸光波长1750nm，而能实现如此长波长吸光的窄带隙光伏材料极为有限。PbSe量子点带隙在0.3-2eV内随粒径连续可调，存在多激子效应可突破单结电池理论效率极限，并可低成本溶液加工，是优异的窄带隙光伏材料。申请人基于PbS量子点光电器件研究基础，依托武汉光电国家研究中心一流平台，已经制备出效率达到10.9%的宽带隙（1.37eV）PbSe量子点电池，远超当前此类电池效率世界纪录8.2%。本项目将针对带隙为0.71eV的PbSe量子点，研究单分散性量子点合成方法，发展量子点表面缺陷高效钝化方法，优化量子点墨水及其薄膜的制备工艺，结合ZnO层的优化最终制备出效率达到8%（硅电池滤光后2%），吸光波长到达1750nm的窄带隙PbSe量子点太阳能电池。

PbSe量子点因具有更宽的光谱响应范围、更强的多激子效应和较强的载流子耦合效率，非常值得用于窄带隙红外太阳能电池的开发与研究。通过对国内外PbSe量子点的研究进展进行总结与归纳，分析出PbSe量子点材料及其器件的发展需要围绕量子点的高质量合成，表、界面缺陷钝化及能带调控等方面展开。研究工作通过阳离子交换法和液相基团交换法合成出了高质量PbSe量子点，并将其用于太阳能电池的光吸收层制备，最终获得11.02%的光电转换效率。此项工作使PbSe量子点太阳能电池效率首次突破10%，达到国际一流水平。研究结果表明，PbSe量子点表面经Cd原位钝化及PbI2/PbBr2矩阵化重构，不仅其稳定性得到了提高，同时减少了缺陷密度并提高了载流子寿命。此合成/配体交换工艺及短链配体系统适合用于不同粒径大小的PbSe量子点表面钝化。在此基础上，通过选择不同的电子传输层（氧化锌和氧化锡）和空穴传输层（乙二硫醇处理的PbS量子点）与其构建PIN结构太阳能电池，不同粒径大小的PbSe量子点太阳能电池得以制备。此外，通过研究量子点的生长动力学，成功制备出窄粒径分布、无（001）面的量子点。本项目对PbSe量子点太阳能电池窗口层及吸光层进行了系统的研究和优化，为PbSe量子点太阳能电池效率的进一步提升奠定了坚实的基础。在上述工作中，发表高水平SCI论文5篇，申请专利1项，培养硕博研究生3名。