科研員研發(fā)出基于CQD和發(fā)色團混合體系結(jié)構(gòu)的太陽能電池

溶液處理的半導體，包括鈣鈦礦和量子點等材料（即，在量子尺寸范圍內(nèi)的小顆粒），是電導率介于絕緣體和大多數(shù)金屬之間的物質(zhì)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種類型的半導體對于開發(fā)性能良好且制造成本低的新型光電子器件特別有前途。最近，一些研究強調(diào)了通過結(jié)合膠體量子點（CQD），可以收集紅外光子的納米粒子和有機發(fā)色團（吸收可見光光子并賦予分子顏色的分子部分）來制造半導體的優(yōu)勢。盡管如此，到目前為止，由于不同組分之間的化學不匹配以及在實現(xiàn)電荷收集方面的挑戰(zhàn)，基于CQD和發(fā)色團的混合光伏僅實現(xiàn)了低于10％的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

多倫多大學和韓國KAIST的研究人員最近開發(fā)了一種混合體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)通過將小分子引入CQD ／有機堆疊結(jié)構(gòu)中而克服了這些限制。Se－Woong Baek表示：“ 這項研究的第一個挑戰(zhàn)是將膠體量子點CQD的寬光吸收帶的優(yōu)勢與有機分子的強（但較窄）吸收系數(shù)相結(jié)合，以創(chuàng)建更高性能的光伏平臺?！?/p>

研究人員從大約二十年前在伯克利國家實驗室的研究小組進行的一項研究中汲取了靈感，該研究表明了使用半導體納米棒和聚合物制造混合太陽能電池的潛力。盡管伯克利實驗室的團隊和其他幾個團隊試圖將有機分子與膠體量子點CQD結(jié)合起來，但是Baek和他的同事們認為這很難實現(xiàn)，因為其混合架構(gòu)所實現(xiàn)的器件性能低于典型的有機或僅膠體量子點CQD的半導體。因此，他們著手進一步研究膠體量子點CQD ／有機半導體的潛力，試圖克服以前開發(fā)的體系結(jié)構(gòu)的局限性。

為了使太陽能電池性能良好，它們應該能夠最大程度地吸收光并將其有效地轉(zhuǎn)換為電流。Baek和他的同事開發(fā)的混合太陽能電池有一個小分子橋，可補充膠體量子點CQD吸收，進而與主體聚合物形成一個激子級聯(lián)。與其他混合架構(gòu)相比，這導致了更有效的能量傳輸。

Baek解釋說：“我們開發(fā)的結(jié)構(gòu)可以通過一個附加的有機層實現(xiàn)高的光收集效率，該有機層的背面具有很強的吸收系數(shù)，而CQD在其正面附近具有一次寬帶吸收。” “所得太陽能電池的最大優(yōu)勢在于，它們使我們能夠通過調(diào)整CQD的大小并將其與合適的有機分子結(jié)合來編程CQD的光響應?！?/p>

與其他類型的混合太陽能電池相比，Baek和他的同事開發(fā)的太陽能電池獨特的結(jié)構(gòu)允許在編程功能方面具有更大的自由度。另外，它允許太陽能電池在更長的連續(xù)操作周期內(nèi)保持良好的效率。

Baek說：“以前的許多研究都報道了通過CQD和聚合物的結(jié)合，吸收率很高，但由于電荷提取效率低，它們的性能較差?！?“通過將第三種成分（小分子橋）引入CQD ／聚合物雜化結(jié)構(gòu)，我們揭示了促進電荷提取和吸收從而改善PCE的潛在機理。“

將來，這些太陽能電池可用于制造既使用量子點又使用發(fā)色團的光伏面板，但其效率要高于先前開發(fā)的混合體系結(jié)構(gòu)中觀察到的效率。到目前為止，他們提出的CQD有機結(jié)構(gòu)具有高達1100納米的吸收帶。因此，在他們的下一個研究中，他們希望調(diào)整結(jié)構(gòu)或開發(fā)其他混合結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)更寬的吸收帶。

“最終，該結(jié)構(gòu)可以與實際的高帶隙的鈣鈦礦組合太陽能電池，例如，通過設計一個后電池平臺為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其能夠增強吸收的近紅外波段，其中鈣鈦礦不吸收的，Baek說。從理論上講，當我們將混合結(jié)構(gòu)作為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的后電池時，鈣鈦礦太陽能電池的效率可以提高15％?！?/p>