配体辅助电子耦合调控的高效稳定FAPbI3胶体量子点太阳能电池

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由于高比表面积，胶体量子点（QD）的表面化学通常在其光电性质调控方面起着关键作用。对于新兴的钙钛矿QD，深入了解其表面特征及其对材料和器件的影响有着重要意义。近日，苏州大学的马万里教授和袁建宇教授团队结合实验和理论计算探究了不同QD的表面配体状态，并报道了一种简单的表面重构策略调控量子点电子耦合，实现了基于FAPbI3 QD太阳能电池的最高效率。
由于量子限域效应和尺寸效应，胶体钙钛矿量子点相较于对应的体材料展现出如多激子效应、带隙高度可调、高的荧光量子产率等优势。2016年，NREL的Joseph Luther研究员首次将全无机CsPbI3 QD引入到光伏器件领域。至今，全无机钙钛矿QD光伏性能获得了迅速发展。然而，全无机CsPbI3 QD表现出较差的相稳定性和较宽的光学带隙，限制了其光伏器件性能的进一步发展。有机无机杂化FAPbI3 QD展现出了近红外吸收、更高的相稳定性和更长的载流子寿命。但是，到目前为止基于FAPbI3 QD太阳能电池的研究较少。此外，将器件性能表现良好的全无机CsPbI3 QD表面配体处理工艺直接应用到杂化FAPbI3 QD太阳能电池，对器件性能提升收效甚微。
为了探明全无机QD和有机无机杂化QD之间的配体构型的差异，并探究一条可以同时提升两者光伏器件性能的可行策略，该团队通过结合实验与理论计算发现，杂化FAPbI3 QD表面油胺 (OAm+) 和油酸 (OA-) 配体吸附能分别为5.04 eV和8.21 eV，而全无机CsPbI3 QD表面OAm+和OA-配体吸附能分别为5.00 eV和5.09 eV。杂化FAPbI3 QD中提高的表面配体吸附能可能是由于有机甲脒阳离子与表面配体存在氢键作用 (NH…O、NH…N)，这也使得FAPbI3 QD表面配体相比于CsPbI3 QD更加难以去除，从而严重影响了QD间的电子耦合致使器件性能较低。该研究团队通过离子液体硫氰酸甲脒 (FASCN) 辅助下，开发了一种简单的表面重构策略来调节并操控QD的电子耦合。FA+阳离子和类卤素SCN-阴离子能够分别促进表面OAm+和OA-配体交换，同时填补配体移除过程中产生的FA+和I-空位并通过Pb-S配位钝化Pb2+。基于FASCN的配体交换与表面钝化的协同作用，该表面重构策略可有效增强了QD之间的电荷传输并实现高质量QD薄膜制备。最终，杂化FAPbI3 QD太阳能电池达到了接近15%纪录效率，并展现出了良好的器件空气稳定性。基于相同策略，全无机CsPbI3 QD太阳能电池实现了接近16%的光电转换效率。

图1.(a)FAPbI3 QD太阳能电池的示意图和横截面SEM图像，b)对照和FASCN-SRM处理的FAPbI3 QD器件的J-V曲线及(c)效率分布直方图，(d)性能最佳器件的EQE曲线，（e)报道的FAPbI3 QD太阳能电池的PCE和电压损失统计图，(f)未封装FAPbI3 QD电池的长期稳定性，(g)对照和FASCN-SRM处理的CsPbI3 QD太阳能电池的J-V曲线。

图2.(a)分别为原始、对照和FASCN-SRM处理的FAPbI3 QD薄膜的FTIR光谱，(b)对照和FASCN-SRM处理的QD薄膜的N-K边X射线吸收光谱。(c)FASCN SRM处理前后FAPbI3 QD表面化学环境变化示意图。
这一成果近期发表在Angew. Chem.上，文章的第一作者是苏州大学博士研究生张旭良。
Ligand-Assisted Coupling Manipulation for Efficient and Stable FAPbI3 Colloidal Quantum Dot Solar Cells
Xuliang Zhang, Hehe Huang, Lujie Jin, Chao Wen, Qian Zhao, Chenyu Zhao, Junjun Guo, Chen Cheng, Hongshuai Wang, Liang Zhang, Youyong Li, Yin Maung Maung, Jianyu Yuan, Wanli Ma
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202214241
导师介绍
马万里，苏州大学功能纳米与软物质研究院(FUNSOM)教授，博士生导师。分别于1996年和2000年获得复旦大学本科和硕士学位；2006年于美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)获得博士学位，导师为诺贝尔化学奖获得者Alan Heeger教授；2007-2010年在美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室进行博士后研究，合作导师为纳米领域的先驱、美国科学院和美国艺术与科学学院两院院士Paul Alivisatos教授；2011年加入苏州大学。
近年来在新型太阳能电池领域做出一系列开创性工作，在Nat. Commun.(3篇)、Joule (2篇)、Adv. Mater. (14篇)、JACS (2篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(3篇)、Nano Lett.(3篇)、Adv. Energy Mater (6篇)、Adv. Funct. Mater (10篇)、ACS Nano (2篇)、ACS Energy Lett. (7篇) 等国际重要刊物发表论文150余篇，授权发明专利17项，部分专利已经被美国著名有机光伏公司购买并运用于实际生产。论文总引用次数超过20000次，单篇论文最高引用超过5000次，2014-2019年连续6年入选高引用学者榜单。担任MRS Advances Principal Editor；Frontiers in Photonics副主编；Nat. Energy, Nat. Commun., Joule, JACS, Adv. Mater., Nano Lett.，等著名国际期刊的审稿人和仲裁。
获得主要荣誉包括：中组部万人领军人才；中组部首批“国家高层次人才计划”青年项目;国家自然科学基金委首批“优秀青年基金”；江苏省“高层次创新创业人才引进计划”等。
袁建宇，苏州大学功能纳米与软物质实验室(FUNSOM)教授，博士生导师。分别于2011年和2016年获苏州大学学士和博士学位。2014-2015年，美国加州圣塔芭芭拉大学(UCSB)联合培养博士；2016年入职苏州大学；2018年8-9月，美国可再生能源国家实验室(NREL)，访问教授。2018年，入选苏州大学首批“优秀青年学者”，2022年，入选“第七届中国科协青年人才托举工程”，获“第21届全国青年岗位能手”。
近年来，围绕“有机-纳米晶杂化光伏材料与器件”这一研究方向，主要以共轭高分子、半导体纳米晶等为研究核心，致力于揭示材料结构、表面化学环境、聚集态结构对材料光电性质的影响，以及相关的基本规律；构筑高效的有机-无机杂化新材料体系，开发低成本高性能光伏技术。先后承担科技部重点研发计划重点专项，江苏省优青，国家自然科学基金委面上项目，江苏省双碳科技创新专项等近20余项。在Joule (2篇)，Nat. Commun. (1篇)，Adv. Mater. (6篇)，Angew. Chem. (4篇)，Adv. Funct. Mater. (9篇)，Adv. Energy Mater. (5篇)，Chem. Mater. (2篇)，ACS Nano (1篇)，ACS Energy Lett. (5篇)，Nano Energy (2篇)等国际重要刊物发表论文130余篇，撰写专著章节1章。发表论文总被引用近6000次，H因子46，累计共16篇入选ESI高被引论文，申请/授权中国发明专利20项。担任Frontier in Photovoltaic期刊Associated Editor，SuSMat期刊青年编委等。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0kRUgLsd
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