张晓宇教授团队， Small：银掺杂优化PbS量子点太阳能电池的能级以及改善薄膜致密性

第一作者：李静

通讯作者：张晓宇*

单位：吉林大学

量子点由于具有高消光系数、大小依赖带隙和配体依赖能级等特点，在太阳能电池、光电探测器、发光二极管和场效应晶体管等领域得到了广泛的应用。最先进的量子点太阳能电池通常是通过将p型量子点薄膜覆盖在n型量子点薄膜上，形成p-n异质结来制造的。利用卤化物离子作为表面配体的液相配体交换法可以制备出高质量的n型膜。p型薄膜采用固态配体交换(SSLE)方法制备，包括自旋涂覆油酸(OA)覆盖的PbS 量子点膜，将其浸泡在1,2-乙二醇(EDT)中，并用乙腈去除多余的配体。p型量子点薄膜在量子点太阳能电池中充当电子阻塞、空穴提取层，允许提取和收集载流子。EDT处理的PbS 量子点 (PbS-EDT)薄膜由于其p型掺杂特性，为活性层提供了良好的能带排列，并促进了空穴向电极的传输，其性质在过去十年中通过表面调制和溶剂工程得到了广泛的研究。利用化学正交的配体和较少挥发的溶剂制备了PbS-EDT固体膜，从而减缓了配体交换反应，防止了膜的破坏。然而，相对较低的迁移率和掺杂浓度仍然存在一个问题。为了提高量子点太阳能电池的效率，进一步优化PbS-EDT层至关重要

近日，来自吉林大学的张晓宇教授团队在国际知名期刊Small上发表题为“Optimizing Energy Levels and Improving Film Compactness in PbS Quantum Dot Solar Cells by Silver Doping”的文章。该文章展示了一种有效的策略来改善PbS- edt固体薄膜的空穴迁移率和表面形貌，即在PbS 量子点生长过程中将Ag加入前驱体中。一方面，Ag掺杂减轻了层沉积过程中的压应力，从而提高了薄膜的致密性和均匀性，抑制了漏电流;另一方面，Ag掺杂增加了空穴浓度，使能级对齐，增加了空穴迁移率，从而促进了空穴收集。空穴浓度的增加也拓宽了活性层的耗尽区，减少了界面电荷的积累，提高了载流子的提取效率。通过优化空穴传输层，PbS量子点太阳能电池的功率转换效率达到12.42%，而控制器件的功率转换效率为9.38%。掺杂可以与压缩应变释放相结合，以优化量子点中的载流子浓度和能级，以及改善了薄膜质量。

Ag-PbS量子点的第一激子吸收峰及PL峰都有轻微的蓝移，并且Stokes位移的减少，意味着更少的中隙状态，这可能导致光伏器件的开路电压损失减少。Ag-PbS量子点的PL量子产率(PLQY)提高到54%，而PbS量子点的PLQY为26%，Ag掺入后促进了辐射重组。

一般来说，PbS-EDT (HTL) 的制备依赖于固态配体交换方法，即长烷基链配体被较短的EDT取代，这将导致配体体积收缩以释放压缩应变，从而导致膜开裂。基于PbS 量子点的薄膜存在大量的沟槽状不均匀区域，且具有丰富的畴边界，导致薄膜质量较差，在器件中产生漏电流。相比之下，优化后的Ag-PbS 量子点薄膜具有高度均匀的表面和自由裂纹，从而实现高效的载流子提取和泄漏电流抑制，并且具有更光滑的薄膜表面。这是由于Ag存在于PbS量子点表面，调节了量子点与表面配体壳层之间的相互作用，使Ag-PbS量子点更难有序地组装成超晶格，这种无序组装结构有力地缓解了固态配体交换过程中产生的压应力，从而使膜层光滑、致密、均匀。

PbS量子点的Pb原子和S原子共享电子，生成电子对，形成共价键。相反，当Ag取代原来的Pb原子与硫原子共价结合时，将不会有足够的电子和电荷空位形成。为了稳定晶体结构，价电子填充这些空位，产生自由空穴。因此，费米能级向价带最大值(VBM)移动，量子点中的空穴浓度增加，空穴迁移率也增加。

一般来说，平面异质结光伏中光生载流子(电子和空穴)通过准中性区扩散和耗尽区漂移有效地引导到各自的电荷收集电极。由于其内置电场，电荷载流子可以快速地从耗尽区提取出来。通过电容电压(C-V)测量来研究器件内置电场的变化。Ag优化后器件的内建电势(Vbi)高于控制器件的内建电势。Vbi的增加意味着更大的内置电场和更宽的耗尽区，有利于更有效地提取载流子以减少准中性区域的重组，这对提高器件性能至关重要。

PbS-EDT薄膜质量和空穴浓度提高制备的备PbS量子点太阳能电池，功率转换效率（PCE）提高到12.42%，电流密度（JSC）为29.61 mA cm⁻²,开路电压（VOC）为0.63 V, 填充因子（FF）为66.7%。控制器件，在JSC为27.82 mA cm⁻²,VOC为0.58 V, FF为57.8%的条件下，PCE仅为9.38%。

Optimizing Energy Levels and Improving Film Compactness in PbS Quantum Dot Solar Cells by Silver Doping

张晓宇副教授简介：吉林大学材料科学与工程学院副教授，主要从事量子点发光二极管、太阳电池的相关研究。