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近日，華北電力大學(xué)李美成教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了“構(gòu)筑堿性環(huán)境增強(qiáng)酯類反溶劑水解“的配體交換方案，所制備0.036 cm2的太陽能電池實(shí)現(xiàn)18.3%的認(rèn)證效率（為已發(fā)表量子點(diǎn)太陽能電池最高認(rèn)證效率），穩(wěn)態(tài)效率達(dá) 17.85%。構(gòu)筑的堿性環(huán)境與多種固相處理和PQD組分良好兼容，在調(diào)節(jié)材料表面化學(xué)性質(zhì)上展現(xiàn)出普適性。相關(guān)成果以“Enriching conductive capping by alkaline treatment of perovskite quantum dots towards certified 18.3%-efficient solar cells"為題，發(fā)表于Nature Communications 雜志上。
鈣鈦礦量子點(diǎn)（PQD）具有出色的光電性能與靈活的加工性，在下一代光伏領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。在逐層沉積制備光吸收層的過程中，依賴大氣環(huán)境中酯類反溶劑水解生成短鏈酸根陰離子配體以交換PQD表面X位原始長鏈油酸（OA?）配體成為標(biāo)準(zhǔn)操作。然而，酯鍵的強(qiáng)鍵合使得常規(guī)水解不自發(fā)、效率低，因此在潤洗PQD薄膜過程中主要導(dǎo)致原始OA?配體直接解離，而非被水解短配體取代，從而在表面產(chǎn)生大量空位缺陷捕獲載流子，影響鈣鈦礦量子點(diǎn)表面導(dǎo)電封端結(jié)構(gòu)的形成。
李教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性構(gòu)筑適宜堿性環(huán)境加速酯類反溶劑水解，實(shí)現(xiàn)高效配體交換。有效解決了傳統(tǒng)方法中，基于在低極性酯類反溶劑中添加極性陽離子配體鹽進(jìn)行配體交換時(shí)存在的效率低下、過程不可控等問題，從根源改善 PQD 表面導(dǎo)電包覆完整性。團(tuán)隊(duì)接著通過定制MeBz與KOH的組合用于PQD薄膜層間沖洗，逐層組裝制備的光吸收層具有缺陷少、晶體學(xué)取向均一、顆粒團(tuán)聚少的優(yōu)勢；最終構(gòu)建的PQD太陽能電池實(shí)現(xiàn)了高達(dá)18.3%認(rèn)證效率，為目前已發(fā)表量子點(diǎn)光伏器件研究中的最高認(rèn)證效率。
圖1： PQD固體薄膜配體交換的高效酯類反溶劑甄選。
通過探討極性不同的酯類反溶劑對(duì)PQD薄膜形貌、光學(xué)性能的影響甄選合適反溶劑。酯類反溶劑水解得到的短配體顯著影響PQD薄膜導(dǎo)電性及其器件性能，酰基端帶有共軛苯環(huán)的MeBz能夠水解得到電荷傳輸性能更佳的苯甲酸根（BZA-）配體，比傳統(tǒng)MeOAc更適合作為潤洗PQD薄膜的反溶劑（圖d-g）。
基于堿性環(huán)境增強(qiáng)反溶劑水解（AAAH）策略的PQD配體交換。
采用堿性添加劑促進(jìn)高效酯類水解用于PQD配體交換；理論計(jì)算證實(shí)，堿性環(huán)境可使酯類水解在室溫條件下充分自發(fā)進(jìn)行，并使反應(yīng)活化能降低約9倍（圖e-f）。通過梯度堿度調(diào)節(jié)構(gòu)筑適當(dāng)?shù)膲A性環(huán)境，確保PQD表面導(dǎo)電封端的完整性，避免形成陷阱態(tài)，有效改善材料光電性能（圖g-h）。
圖3：反溶劑水解堿性環(huán)境對(duì)PQD光伏器件性能的影響。
器件性能隨采用的MeBz/堿反溶劑體系pH值的增加而增加。小尺寸（0.036 cm2）器件實(shí)驗(yàn)室自測效率*高可達(dá)18.37%，認(rèn)證效率為18.30%，為目前已發(fā)表量子點(diǎn)太陽能電池研究中的最高認(rèn)證效率；大尺寸（1 cm2）器件效率為15.9%；穩(wěn)態(tài)效率為17.85%（圖a-f）。
器件的暗態(tài)儲(chǔ)存與長程連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性均得到有效提高，歸因于AAAH策略使PQD表面被疏水性短配體更完整的覆蓋，抑制空位觸發(fā)的水分/氧滲透和離子遷移（圖g-h）。
圖4：PQD光吸收層微觀結(jié)構(gòu)和光電特性。
基于堿性環(huán)境的層間配體交換助力形成更完整的表面配體封端，在光吸收層制備過程中有效防止配體后處理A位配體交換過程對(duì)PQD晶格結(jié)構(gòu)的破壞，使基于MeBz/KOH的PQD光吸收層從表面至體相的晶體學(xué)取向高度均一（圖a-e）。基于MeBz/KOH的PQD固體薄膜的形貌與PL映射分布更加均勻，表明堿性環(huán)境下進(jìn)行層間配體交換有效減輕了光吸收層內(nèi)相鄰PQD的團(tuán)聚（圖f-k）。
圖5：AAAH策略對(duì)PQD器件電荷提取和復(fù)合的影響。
AAAH策略確保PQD表面導(dǎo)電封端的完整性以及A位配體交換后相鄰納米顆粒的獨(dú)立性，制備的光吸收層具有優(yōu)異的光電性能、均一的晶體取向和良好的能級(jí)排列，有效抑制器件內(nèi)載流子復(fù)合和空位介導(dǎo)的離子遷移，從而獲得優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)換性能（圖a-c）。構(gòu)建的堿性環(huán)境策略具有高通用性，不僅對(duì)不同組分的PQD均有積極作用，還與其它酯類層間潤洗以及后處理A位陽離子配體交換等多種處理工藝兼容，為PQD光伏技術(shù)的多樣化應(yīng)用提供可能（圖d）。
配置推薦
文中基于MeBz/KOH的PQD固體薄膜熒光壽命成像測試采用北京卓立漢光儀器有限公司的OmniFluo-FLIM測試得到。OmniFluo-FLIM通過對(duì)樣品進(jìn)行微觀尺度下的熒光壽命成像，可以得到通過堿性環(huán)境增強(qiáng)酯類反溶劑水解配體交換制備的器件光吸收層陷阱態(tài)信息，為鈣鈦礦量子點(diǎn)光伏電池的性能優(yōu)化提供參考。
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