【引言】

硫化鉛(PbS)納米晶太陽能電池憑借其光譜響應(yīng)寬、易于加工以及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)備受矚目，為太陽能的有效利用提供了一條重要途徑。目前 PbS 納米晶太陽能電池制備中使用的納米晶材料均是基于經(jīng)典的熱注射法合成，該方法需使用長(zhǎng)鏈的有機(jī)配體（油酸）來控制納米晶的生長(zhǎng)，但是長(zhǎng)鏈的有機(jī)配體使得納米晶之間相互絕緣，在制備光電器件過程中需要經(jīng)過配體交換的步驟，將長(zhǎng)鏈有機(jī)配體交換成短配體來增強(qiáng)納米晶薄膜的導(dǎo)電性。該配體交換步驟異常繁瑣，不僅增加了器件制備材料和時(shí)間成本，而且可能會(huì)對(duì)納米晶表面造成破壞，引入缺陷態(tài)，不利于大批量產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，蘇州大學(xué)馬萬里教授（通訊作者）等人從PbS納米晶合成源頭設(shè)計(jì)，避免引入長(zhǎng)鏈有機(jī)配體，一步直接制備碘化物包裹的PbS納米晶墨水，獲得的納米晶墨水可以直接用于薄膜制備，完全避免了繁瑣的配體交換過程，大幅簡(jiǎn)化了器件制備工藝。并且，該合成方法可以在室溫條件下進(jìn)行且非常容易進(jìn)行批量化生產(chǎn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下可以實(shí)現(xiàn)單次反應(yīng)制備88g納米晶墨水的產(chǎn)量，該墨水生產(chǎn)成本僅為6 $·g?1，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的制備成本44 $·g?1（國(guó)內(nèi)制備成本）。并且該方法具有一定的普適性，可以推廣到CdS和Ag2S等納米晶墨水的直接合成。最后團(tuán)隊(duì)基于PbS-I納米晶制備了光電探測(cè)器和太陽能電池，光電探測(cè)器的探測(cè)率高達(dá)1.4?×?1011 Jones，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)10%。這種方法大幅簡(jiǎn)化了基于納米晶的光電器件制備工藝，且易于批量化生產(chǎn)，為基于納米晶的光電器件的未來商業(yè)化鋪平了道路。相關(guān)結(jié)果以“Room-temperature direct synthesis of semi-conductive PbS nanocrystal inks for optoelectronic applications”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Nature Communications上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.PbS-I納米晶薄膜的不同制備方法

a.傳統(tǒng)油酸包裹PbS納米晶的合成、配體交換以及薄膜沉積示意圖

b.PbS-I納米晶墨水的一步直接合成及薄膜沉積示意圖

圖2.直接合成PbS-I納米晶墨水的表征

a,b.不同Pb/S前驅(qū)體比例的PbS-I納米晶的吸收光譜(a)和光致發(fā)光光譜(b)

c,d,e.PbS-I納米晶的TEM圖(c, d)和XRD圖(e)

圖3.XPS和光電性能

a,b,c.PbS-I納米晶的Pb(a)、I (b)和O(c)的XPS能譜

d.PbS-I納米晶溶液的瞬態(tài)熒光壽命譜

e.PbS-I納米晶的空間電荷局限電流器件的 J-V曲線

f.基于PbS-I的納米晶的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線

圖4.基于PbS-I納米晶的光電探測(cè)器

a.光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)

b.不同強(qiáng)度的光對(duì)應(yīng)的光電流和靈敏度

c.光電探測(cè)器的探測(cè)率和靈敏度

d.光電探測(cè)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖5.基于PbS-I納米晶的光伏器件

a.太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)

b.太陽能電池中各功能層能級(jí)

c.太陽能電池的J-V曲線

d.太陽能電池的空氣穩(wěn)定性

【小結(jié)】

總而言之，本文開發(fā)了一步直接制備PbS-I納米晶墨水的方法。這種方法步驟簡(jiǎn)單、原料便宜且易于批量化生產(chǎn)，制備成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法。并且納米晶表面鈍化良好，表現(xiàn)出于與傳統(tǒng)方法相當(dāng)?shù)墓怆娖骷阅埽汗怆娞綔y(cè)器的探測(cè)率高達(dá)1.4?×?1011 Jones，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)10%。這種方法為基于納米晶的光電器件的未來商業(yè)化鋪平了道路。

文獻(xiàn)鏈接：

Room-temperature direct synthesis of semi-conductive PbS nanocrystal inks for optoelectronic applications（Nat Commun 10, 5136 (2019) doi:10.1038/s41467-019-13158-6）

【團(tuán)隊(duì)介紹】

課題組負(fù)責(zé)人馬萬里：蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院(FUNSOM)教授，博士生導(dǎo)師。2006年獲美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校理學(xué)博士學(xué)位（導(dǎo)師為2000年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Alan J. Heeger教授），2006-2009年在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行博士后研究（合作導(dǎo)師為美國(guó)科學(xué)院院士、納米領(lǐng)域先驅(qū)A. Paul Alivisatos教授）。2011年入選首批“青年千人計(jì)劃”，2012年入選首批NSFC “優(yōu)秀青年基金”。2011年入選江蘇省“高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才引進(jìn)計(jì)劃”。2012年蘇州市緊缺人才，蘇州高層次海外領(lǐng)軍人才。

從2010年組建團(tuán)隊(duì)至今，專注于新型溶液法制程的新型太陽能電池（基于有機(jī)聚合物、無機(jī)納米晶、鈣鈦礦材料）研究。在Nat. Mater., Nat. Commun., Joule, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Phy. Rev. Lett., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等國(guó)際重要刊物上發(fā)表論文110余篇，授權(quán)發(fā)明專利近10項(xiàng)。論文總引用次數(shù)超17,000次，單篇論文最高引用超過5,000次。2014-2017年連續(xù)三年入選中國(guó)高引用學(xué)者榜單。擔(dān)任Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Nano Lett.,等著名國(guó)際期刊的審稿人和仲裁。作為首席科學(xué)家主持國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題負(fù)責(zé)人；主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目；主持江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目。團(tuán)隊(duì)目前共有成員23人，其中包括教授1名，副教授2名，博士后2名，博士研究生4名，碩士研究生14名。

【團(tuán)隊(duì)在納米晶太陽能電池領(lǐng)域的工作匯總】

Room-Temperature Direct Synthesis of Semi-Conductive Pbs Nanocrystal Inks for Optoelectronic Applications. Nature Communication, 2019, 10, 5136.

Band-Aligned Polymeric Hole Transport Materials for Extremely Low Energy Loss α-CsPbI3 Perovskite Nanocrystal Solar Cells.” Joule, 2018, 2 (11), 2450-2463.

In situ passivation for efficient PbS quantum dot solar cells by precursor engineering. Advanced Materials2018, 30 (16), 1704871.

High‐Efficiency PbS Quantum‐Dot Solar Cells with Greatly Simplified Fabrication Processing via “Solvent‐Curing”. Advanced Materials2018, 30 (25), 1707572.

High-Efficiency Hybrid Solar Cells d on Polymer/PbSxSe1-x Nanocrystals Benefiting from Vertical Phase Segregation.” Advanced Materials, 2013, 25 (40), 5772-5778.

Ligand Mediated Transformation of Cesium Lead Bromide Perovskite Nanocrystals to Lead Depleted Cs4PbBr6 Nanocrystals.” Journal of the American Chemical Society, 2017, 139 (15), 5309-5312.

1% CsPbI3 Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Cesium Cation Passivation. Advanced Energy Materials, 2019, 9 (28), 1900721.

Broadband enhancement of PbS quantum dot solar cells by the synergistic effect of plasmonic gold nanobipyramids and nanospheres. Advanced Energy Materials2018, 8 (8), 1701194.

Stable and highly efficient PbS quantum dot tandem solar cells employing a rationally designed recombination . Advanced Energy Materials2017, 7 (15), 1-8.

Toward Scalable PbS Quantum Dot Solar Cells Using a Tailored Polymeric Hole Conductor. ACS Energy Letters2019, 4, 2850-2858.

Finely Interpenetrating Bulk Heterojunction Structure for Lead Sulfide Colloidal Quantum Dot Solar Cells by Convective Assembly. ACS Energy Letters2019, 4 (4), 960-967.

Perovskite Quantum Dot Solar Cells with 15.6% Efficiency and Improved Stability Enabled by an α-CsPbI3/FAPbI3 B Structure”. ACS Energy Letters 2019, 4, 2571?2578.

本文由kv1004供稿。