面向高效量子点光伏应用的PbS量子点墨水设计与合成

【作者】 王莹琳； 王超； 王梓涵； 刘馨露； 张昕彤； 刘益春；

【机构】 东北师范大学,紫外光发射材料与技术教育部重点实验室；

【摘要】 硫化铅（PbS）量子点具有高的吸收系数、低成本的溶液加工、宽的光谱吸收（紫外-可见-近红外）和多激子效应在光伏器件领域展现出广阔的应用前景。表面化学修饰不仅能调控量子点的电子性质,改善电荷传输效率,而且促进量子点溶剂化,制备稳定的量子点墨水溶液。随着器件性能的不断改善,发展不同类型的PbS量子点墨水,提高墨水的稳定性和抑制量子点表面缺陷是光伏器件迈向柔性,大面积及产业化发展的关键步骤。因此,我们对PbS量子点光伏器件的制备进行了系统的研究,通过表面配体调控实现高质量PbS的制备和PbS量子点墨水的稳定制备。前驱体化学调控量子点表面配体的合成方案,用乙酰丙酮铅（Pb（acac）₂）代替PbO合成PbS量子点。该方案在前驱体的热解过程中避免水分子的生成,大幅降低了表面OH配体的含量,抑制了表面缺陷。Pb（acac）₂合成的PbS量子点获得了高达11.48%的器件效率,较传统的PbO前驱体器件增长了36%^[1]。此外,通过分析配体-溶剂之间的相互作用,提出了氢键溶剂化策略,通过液相配体交换,制备了稳定的P型PbS量子点墨水。巯基乙醇配体（ME）与DMSO溶剂之间形成的氢键,促使DMSO分子在ME包覆的量子点表面形成紧密的溶剂化层,从而确保PbS-ME量子点的胶体稳定。氢键溶剂化策略可实现量子点墨水的批量制备,用于大面积（9 cm×9 cm）量子点薄膜直接沉积^[2]。进一步,利用原位退火工艺对卤素配体交换的量子点墨水的表面配体进行优化,促进量子点表面油酸配体解吸,提高量子点的单分散性和稳定性的同时抑制表面缺陷。最终,退火处理的器件效率高达11%,较退火前器件性能提升17%^[3]。该策略为精细化调控量子点表面配体提供了有效途径。基于以上量子点优化方案,成功制备了低缺陷,高单分散性的高质量PbS量子点,进一步优化了配体交换步骤,精确调控表面配体并实现P型量子点墨水的稳定制备,为高性能光伏器件的制备和光伏器件产业化发开辟新的途径。更多还原