田建军课题组:喷涂技术制备高效率钙钛矿量子点太阳能电池

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金属卤化物钙钛矿材料具有高载流子迁移率、大消光系数、可调节带隙和低成本溶液制备工艺等优点，在光伏领域发展迅速，掀起了研究热潮。近年来，全无机钙钛矿CsPbX3（X=I，Br，Cl）因具有良好的热稳定性，适于制备高效叠层太阳能电池，引起了很大关注。其中，具有黑相结构的CsPbI3拥有较窄带隙（1.73 eV）和优异光电性能，特别适于制备太阳能电池的无机钙钛矿材料。然而，Cs的离子半径过小，难以形成稳定的黑相结构，容易导致钙钛矿发生相变，形成光电性能很差的黄相。化学合成量子点的方法是稳定CsPbI3黑相的有效途径之一。这是因为量子点表面能高，结合表面有机配体可以提高相变势垒，进而稳定其晶体结构。而且，基于量子点的多激子效应可以进一步提高太阳能电池的光电转换效率。目前，CsPbI3量子点薄膜主要采用旋涂工艺制备，这种工艺无法实现大面积量子点太阳能电池的规模化制备。与旋涂相比，喷涂技术是一种廉价、高效的涂层和薄膜的规模化制备技术。但是，量子点溶液中具有大量有机配体，喷涂技术无法实现高电荷传输和致密的量子点薄膜，难以获得高效率的量子点太阳能电池。如果去除量子点表面有机配体又会发生相变。

       北京科技大学田建军教授课题组针对现有喷涂工艺进行改进，开发出一种逐层超薄量子点沉积与配体清洗工艺相结合的技术（UFP）。这种技术可以最大限度地减少量子点薄膜中有机物配体的残留，改善薄膜的致密性与电荷传输性能，最终获得适于制备高效率太阳能电池的量子点薄膜。CsPbI3量子点太阳能电池光电转换效率由传统喷涂技术的0.96%，提高到UFP技术的8%以上。为了进一步提升太阳能电池的转换效率和稳定性，通过量子点表面配体交换方法，以短链配体PTABr替代部分长链配体（如：油胺、油酸）。这不仅钝化了量子点表面缺陷，提高了太阳能电池工作稳定性；而且由于量子点间距离减少，还能提升量子点薄膜的载流子迁移率和电荷收集效率。配体交换后的量子点太阳能电池，光电转换效率达到11.2%，且未封装样品在20%湿度下储存30天仍能保持最初80%的转换效率。 该研究也为量子点薄膜及光电器件的规模化制备提供了一种新的方法和途径。相关论文以“Spray‐Coated Colloidal Perovskite Quantum Dot Films for Highly Efficient Solar Cells”为题，在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906615)上。


       钙钛矿量子点（APbX3，其中A = Cs或FA和X = Cl，Br或I）可在450至685nm的整个可见光谱区域发光，这取决于粒子的尺寸和成分。这些量子点具有高达95-100％的量子效率和窄的半峰宽（20-25nm）。 特殊的光学特性和化学稳定性的组合使它们对光电应用很有吸引力：QD LED，QD激光器，用于LCD和照明的QD背光等。


       田建军，光电功能材料与器件研究室负责人、首席教授、博士生导师。2007年毕业于北京科技大学并留校任教。2013年入选教育部新世纪优秀人才计划，2015年任新材料技术研究院功能材料研究所所长，2016年建立光电功能材料与器件研究室并任研究室负责人、首席教授，2019年兼任融合创新研究院副院长。还兼任《Science China Materials》的编委、中国功能材料学会理事及国内外多个研究学会会员。主要致力于光电功能材料与器件的研究，涉及新型太阳能电池、发光二极管、探测器及新材料研究。在Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Sci.和ACS Energy Lett.等期刊上发表学术论文100多篇，被引用3000多次，h指数31（i10指数67）。应邀在国内外学术会议和研究机构上做特邀报告或讲座30多次。先后主持国家重点研发计划及国家科技支撑计划研究项目（课题）3项、国家自然科学基金6项（含重点1项）及省部级等研究项目等合计30多项。获省部级科技奖8项。