华中科技大学王鸣魁教授课题组ACS Energy Letters：后处理钝化AgBiS2量子点提升太阳能电池开路电压

第一作者：杨万鹏

通讯作者：王鸣魁*

单位：华中科技大学

AgBiS₂胶体量子点因其高吸收系数（约 10⁶ cm⁻¹）和合适的带隙（约 1.1 eV），在光伏领域具有广阔的应用前景。但是AgBiS₂胶体量子点太阳能电池的功率转换效率仍显著低于其他硫基量子点太阳能电池，例如杂化硫化铅（PbS）胶体量子点/有机太阳能电池（约15%）以及铜锌锡硫硒（Cu₂ZnSn(S_XSe_1-X)₄）太阳能电池（约15%）。低的开路电压（约0.5V）是降低AgBiS₂量子点太阳能电池性能的主要原因。溶液法制备太阳能电池的前期研究中，通过温度依赖的电流-电压特性以及发光测试实验数据发现，并明确了AgBiS₂胶体量子点表面的高陷阱态密度所导致的非辐射复合是开路电压损耗的主要原因。

华中科技大学的王鸣魁教授与申燕教授在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Boosting Open-Circuit Voltage of AgBiS₂ Quantum Dot Solar Cells through Post-treatment Passivation”的文章。提出了一种简便的量子点表面钝化技术，即先用碘化物对AgBiS₂胶体量子点进行表面配体交换，再采用卤化物进行后处理制备AgBiS₂量子点薄膜。这种后处理钝化AgBiS₂胶体量子点的技术，不仅能有效抑制质子溶剂侵蚀而造成的表面配体损失，而且能显著降低表面缺陷态密度。在使用氯离子后处理钝化AgBiS₂量子点太阳能电池光电转换效率达到10.02%，其开路电压（VOC）显著提高至0.581V，这是目前AgBiS₂量子点太阳能电池报道的最高输出电压。

本文提出了一种后处理钝化的方法，即在薄膜制备过程中将AgBiS₂量子点浸入含有卤素的乙酸乙酯溶液中，便可有效补充量子点表面脱附配体并钝化缺陷。

要点二：

在 AM1.5太阳辐照条件下，研究发现氯离子后处理钝化AgBiS₂量子点太阳能电池光电转换效率达到10.02%，开路电压达到0.581 V，这是目前AgBiS₂量子点太阳能电池报道的最高输出电压。

要点三：

进一步研究表明，AgBiS₂量子点表面特性与不同卤素配体之间的相互作用密切相关。

我们报道了一种制备高质量AgBiS₂量子点薄膜的方法（图1）。具体如下：首先旋涂含油酸配体的AgBiS₂量子点，制备薄膜（步骤Ⅰ）。随后，采用常规的固态配体交换工艺，利用卤素配体替换绝缘的油酸配体，使沉积的薄膜具备导电性（步骤Ⅱ）。接着用甲醇冲洗薄膜以去除在配体交换过程中被置换出来的副产物（步骤Ⅲ）。值得指出的是，在步骤Ⅱ和Ⅲ常规制备过程中，极性质子溶剂甲醇会诱导量子点表面配体脱附，从而产生大量陷阱态。研究表明，非极性（100）面上的卤素配体这种脱附现象尤其明显。因此，我们提出通过后处理钝化的技术，极大地消除这些表面缺陷，如图1（步骤 Ⅳ）所示，即只需简单地将量子点薄膜浸泡在饱和的MAX（X = I、Br、Cl）溶液中15秒，便可有效补充量子点薄膜制备过程表面脱附的配体并钝化缺陷。

图1. 采用固态配体交换及后处理钝化的AgBiS₂量子点薄膜沉积过程示意图（棕色、黄色和蓝色小球分别代表银 / 铋、硫和卤化物原子）。

图2. AgBiS₂胶体量子点的表面化学分析：a）对照样及AgBiS₂-MAX薄膜（MA=甲基铵，X=I、Br和Cl）的Bi 4f 和S 2p X 射线光电子图谱。b）对照样及AgBiS₂-MAX薄膜表面卤素与金属的原子比。c）卤素配体在AgBiS₂胶体量子点（100）面和（111）面上的吸附能。d）经MAX后处理的大尺寸胶体量子点（LCQDs）和小尺寸胶体量子点（SCQDs）所制备薄膜中的卤素含量与各自未经后处理的薄膜中卤素含量的比值。

图3. 基于AgBiS₂胶体量子点的太阳能电池的光伏性能：a）在一个太阳光照强度下，采用对照样及AgBiS₂-MAX胶体量子点的太阳能电池的电流-电压（J-V）特性曲线。b）从每组20个器件中提取出的对照样及AgBiS₂-MAX器件的开路电压统计数据。c）采用对照样品以及AgBiS₂-MAX胶体量子点的太阳能电池的外量子效率（EQE）曲线以及积分短路电流密度。d）对照样及AgBiS₂-MAX器件在不同活性层厚度下的短路电流密度。

本工作提出了一种逐步钝化技术，能够有效解决在固态配体交换过程中因极性环境导致配体从胶体量子点表面脱附的问题。经过MACl后处理的AgBiS₂胶体量子点太阳能电池，开路电压得到提升，器件光电转换效率高于10%。

Boosting Open-Circuit Voltage of AgBiS₂ Quantum Dot Solar Cells through Post-treatment Passivation

王鸣魁教授简介：华中科技大学/武汉光电国家研究中心，教授，从事钙钛矿太阳能电池及其电解水制氢、二氧化碳还原应用技术研究。发表研究论文290余篇、授权专利30余项。论文引用2.8万余次，H指数86。连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单、全球前2%顶尖科学家-“终身科学影响力”和“年度科学影响力”榜单，是全球高被引科学家。