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再提高鈣鈦礦和硅電池轉(zhuǎn)換效率!華中科技大學(xué)給出新方案!

光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊 發(fā)布日期:2019-11-20
核心提示: 再提高鈣鈦礦和硅電池轉(zhuǎn)換效率!華中科技大學(xué)給出新方案!
 近日,國(guó)際著名期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)在線發(fā)表了華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院張建兵副教授團(tuán)隊(duì)題為“Cation-Exchange Synthesis of Highly Monodisperse PbS Quantum Dots from ZnS Nanorods for Efficient Infrared Solar Cells”的研究成果。博士研究生夏勇為論文的第一作者,張建兵副教授為論文的通訊作者,華中科技大學(xué)為第一完成單位。

阻礙光伏器件性能提升的一個(gè)重要因素是低于光伏材料帶隙的低能紅外光子沒(méi)有被充分利用,大尺寸窄帶隙PbS量子點(diǎn)被視為理想的紅外光伏材料。然而,當(dāng)尺寸增加(帶隙減小)時(shí),PbS量子點(diǎn)對(duì)空氣的敏感性顯著增加,容易引入新的缺陷態(tài)。因此,研究者們通常采用陽(yáng)離子交換方法來(lái)合成具有原位鹵素離子鈍化的PbS量子點(diǎn)。但是,這種方法合成出的PbS量子點(diǎn)尺寸分布不佳(尤其大尺寸),影響載流子的遷移。

為了解決這一問(wèn)題,張建兵副教授團(tuán)隊(duì)首次采用ZnS納米棒到PbS量子點(diǎn)的陽(yáng)離子交換方案,其基本思想是依靠由棒到點(diǎn)轉(zhuǎn)變過(guò)程中因部分溶解而釋放的S來(lái)維持一定的過(guò)飽和度,促進(jìn)量子點(diǎn)的生長(zhǎng)并且維持較好的尺寸分布。系統(tǒng)改變合成參數(shù),在尺寸分布的均勻性、尺寸可控性、重復(fù)性以及宏量制備等方面對(duì)陽(yáng)離子交換合成進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)捕獲反應(yīng)和生長(zhǎng)的中間態(tài),研究了從棒到點(diǎn)的形貌轉(zhuǎn)變過(guò)程和機(jī)理以及量子點(diǎn)的生長(zhǎng)控制機(jī)制。其中反應(yīng)過(guò)程中從棒到點(diǎn)不同時(shí)間的形貌演變過(guò)程如下圖透射電子顯微鏡所示。這種從棒到點(diǎn)的陽(yáng)離子交換合成出的PbS量子點(diǎn)除了具有極好的尺寸分布外,表面還具有鹵素Cl-離子鈍化,實(shí)現(xiàn)了較好的表面缺陷態(tài)控制?;谶@種方案合成的高質(zhì)量大尺寸窄帶隙PbS量子點(diǎn),最終獲得了效率世界領(lǐng)先的帶隙為0.95 eV的PbS量子點(diǎn)紅外太陽(yáng)能電池,其結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如下圖所示。其中,在AM 1.5下,效率高達(dá)10%(世界第一),800nm長(zhǎng)通濾光片下的效率為4.2%(世界第一),1100nm長(zhǎng)通濾光片下的效率為1.1%。

這種窄帶隙太陽(yáng)能電池為進(jìn)一步顯著提升各種常規(guī)電池的效率提供了新的思路。例如,可以在現(xiàn)有鈣鈦礦和硅電池的基礎(chǔ)上,顯著增加額外的能量轉(zhuǎn)換效率。

該工作得到了學(xué)院院長(zhǎng)唐江等合作者的幫助,并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金面上和青年項(xiàng)目、湖北省自然科學(xué)基金和華為橫向項(xiàng)目的支持。

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